5 Minuten
Įvadas: tamsiosios materijos paslaptis ir netikėtos hipotezės
Tamsioji materija išlieka viena didžiausių paslapčių šiuolaikinėje kosmologijoje ir dalelių fizikoje. Galaktikų sukimosi kreivės, gravitacinis lęšiavimas ir didelio masto struktūros stebėjimai rodo, kad Visatoje dominuoja nespinduliuojanti, nematoma materija, kuri nei spinduliuoja, nei sugeria ar atspindi šviesą. Tačiau dešimtmečius trukę tiesioginės detekcijos eksperimentai ir dalelių greitintuvų paieškos neidentifikavo jokių standartinių kandidatų. Šiame kontekste mokslininkai vis dažniau svarsto egzotiškesnius tamsiosios materijos modelius – pavyzdžiui, galimybę, kad ji kyla iš „tamsaus veidrodinio“ sektoriaus arba nuolat atsiranda Visatos pakraštyje, kosminėje horizonte.
Pastaruosiuose straipsniuose, publikuotuose „Physical Review D“, Kalifornijos universiteto Santa Kruze fizikas Stefano Profumo analizuoja dvi spekuliatyvias, tačiau teoriškai pagrįstas tamsiosios materijos kilmės hipotezes. Abu modeliai siekia suderinti astrofizinius duomenis su signalo nebuvimu standartiniuose detektoriuose, bei pasiūlyti stebimus požymius – tokius kaip gravitacinės bangos ar kosmologiniai pėdsakai – kurie galėtų patvirtinti šias idėjas.
Veidrodinė tamsioji visata: tamsūs barionai, tamsūs kvarkai ir juodosios skylės
Vienas iš pasiūlymų nagrinėja tamsųjį sektorių kaip beveik veidrodinį matomo pasaulio atitikmenį. Remdamasis kvantinės chromodinamikos (QCD) principais – teorijos, aiškinančios, kaip kvarkai ir gluonai sąveikauja stipriąja jėga formuodami protonus ir neutronus – Profumo įsivaizduoja tamsiąją QCD versiją. Šiame modelyje tamsieji kvarkai ir tamsieji gluonai sąveikauja per tamsiąją stipriąją jėgą, sudarydami tamsiuosius barionus (protonų ir neutronų atitikmenis).
Jei ankstyvojoje Visatoje egzistavo tamsieji barionai, didelės jų tankio sritys galėjo gravitaciškai susitraukti į kompaktiškus objektus. Vietoj įprastų medžiagos tankio perturbacijų, tamsiųjų barionų debesyse galėjo susidaryti daugybė mažų ar net nanoskalės juodųjų skylių (arba labai panašių kompaktiškų objektų). Pakankamai didelė tokių objektų populiacija galėtų paaiškinti visą tamsiosios materijos kiekį ir turėti įtakos kosminių struktūrų formavimuisi.
Profumo pažymi, kad ankstesniuose pirminių juodųjų skylių modeliuose dažniausiai daroma prielaida apie didesnes tankio fluktuacijas matomame sektoriuje, tačiau veidrodinis variantas perkelia kilmės šaltinį į dinamiškai atskirą tamsų sektorių. Esminis aspektas – kompaktiškų tamsaus sektoriaus objektų susiliejimai gali sukurti gravitacinių bangų signalus. Jei tokie susiliejimai bent iš dalies pasiekia gravitacinių bangų detektorius (pvz., LIGO, Virgo ar būsimus stebėjimo prietaisus), jie galėtų suformuoti atpažįstamą stochastinį foną arba neįprastus, netikėtų masių signalus.
Kosminio horizonto produkcija: spinduliavimas nuo Visatos krašto
Antra Profumo nagrinėjama idėja nusako tamsiosios materijos atsiradimą kosminiame horizonte infliacijos metu ir po jo. Standartinėje infliacijos teorijoje ankstyvoji Visata patyrė itin spartų plėtimąsi ir suformavo efektyvų horizontą, panašų į juodosios skylės įvykių horizontą: kvantinės fluktuacijos prie šios ribos galėjo būti ištemptos bei virsti realiomis dalelėmis, kai regione esanti materija išeina už priežastinio „lopinėlio“ ribų.
Remiantis Hawkingo spinduliavimo analoge, Profumo siūlo, kad tamsaus sektoriaus dalelės galėjo būti pagamintos ties kosminiu horizontu infliacijos ar atkūrimo laikotarpiu. Kadangi Visata plečiasi iki šiol, lėtas, bet nuolatinis dalelių susidarymo procesas iš horizontų galėtų ilgainiui sukurti papildomą tamsiosios materijos kiekį kosminės evoliucijos laikotarpiu.
Šis mechanizmas sukurtų nešiluminę tamsiųjų dalelių populiaciją, kurios momentai ir pasiskirstymas skiriasi nuo tradicinių „užšalimo“ modelių. Tokie skirtumai gali palikti matomus pėdsakus kosminio mikrobangų fono (CMB) duomenyse, didelio masto struktūroje ar galaktikos halų posistemių sandaroje.
Atrankos galimybės, stebėjimų testai ir naujos technologijos
Nors abi hipotezės šiuo metu tebėra teorinės, jos leidžia formuluoti konkrečias ir patikrinamas prognozes:
Gravitacinės bangos
Kompaktiškų tamsiųjų objektų susiliejimai gali sukelti gravitacinių bangų signalus. Tokius signalus gali aptikti LIGO, Virgo, KAGRA, būsimi LISA ir Einstein Telescope detektoriai, ieškodami neįprastų susiliejimų dažnių, neįprastų masių (įskaitant sub-saulės masės įvykius) bei stochastinio fono, neatitinkančio žvaigždinės kilmės juodųjų skylių.
Mikrolęšiavimas ir dinaminiai efektai
Kompaktiški tamsaus sektoriaus objektai, veikiantys kaip gravitaciniai lęšiai, sukeltų mikrolęšiavimo įvykius, kurie skirtųsi nuo įprastos žvaigždžių populiacijos rezultatų. Tokios paieškos kaip OGLE, Gaia ir būsimos plataus lauko misijos gali aptikti ar apriboti kompaktiškos tamsiosios materijos egzistavimą pagal mikrolęšiavimo statistikas ir laiko ženklus.
Kosminiai stebėjimai
Nesiluminė horizonto produkcija ir tamsaus sektoriaus sąveikos gali keisti CMB galios spektrą, materijos pasiskirstymą ar mažo masto struktūrą. Tiksliosios kosmologijos projektai – Planck, DESI, Euclid, CMB-S4 – gali aptikti šiuos ženklus ir nustatyti modelių parametrus.
Dalelių fizika ir netiesioginės paieškos
Jei tamsusis sektorius turi labai silpnų sąsajų su Standartiniu modeliu, retais skilimo kanalais arba per sąveikos „portalius“ (tamsieji fotonai, neutrinų portalai) galimi labai silpni signalai jautriuose eksperimentuose, nors tokios sąsajos gali būti tyčia labai silpnos.
Reikšmė ir mokslinis kontekstas
Šios hipotezės žymiai praplečia tamsiosios materijos modelių ribas už tradicinių WIMP ar aksionų variantų, įtraukdamos sudėtingesnes tamsiojo sektoriaus jėgas ir susijusias jungtis. Jos remiasi žinomomis teorinėmis struktūromis – QCD analogijomis, infliacine kosmologija ir horizonto termodinamika – siūlydamos fiziškai pagrįstus, tačiau dar tikrinamus modelius. Kaip pažymi Profumo „Physical Review D“: „Tamsiosios materijos prigimtis išlieka viena aktualiausių šiuolaikinės kosmologijos ir dalelių fizikos mįslių... Tiriame fundamentalią tamsiosios materijos ir jai priklausančio tamsaus sektoriaus prigimtį.“ Kituose savo darbuose jis pabrėžia: „Pagrindinis mechanizmas, nulemiantis kosminės tamsiosios materijos (TM) susidarymą, šiuo metu tebėra atvira problema – ir intensyvių tyrimų objektas.“
Jei bent viena iš šių hipotezių pasitvirtintų, mūsų supratimas apie Visatos raidą, kompaktiškų objektų formavimąsi ir regimojo bei neregimojo sektoriaus sąveikas galėtų radikaliai pasikeisti. Tokiu atveju būtų pagrindas kryptingai stiprinti stebėjimus gravitacinių bangų astronomijos, tiksliosios kosmologijos, mikrolęšiavimo bei naujų dalelių paieškos srityse.
Išvados
Veidrodinės tamsiosios visatos bei kosminio horizonto kilmės modeliai pateikia naujas perspektyvas, kodėl tamsiosios materijos dar nesugebama tiesiogiai aptikti ir kaip ji gali būti generuojama. Abu modeliai remiasi žinomos fizikos analogijomis – QCD ir horizonto termodinamika – ir numato išskirtinius stebėjimo ženklus: gravitacines bangas tamsaus sektoriaus susiliejimuose, kompaktiškų tamsiųjų objektų mikrolęšiavimą ir kosmologinius nešiluminės dalelių gamybos pėdsakus. Nors šios idėjos kol kas spekuliatyvios, jas galima patikrinti dabartiniais ar artimiausios ateities instrumentais. Tolimesni tarpdisciplininiai stebėjimai kosmologijoje, gravitacinių bangų detekcijoje ir dalelių fizikoje bus labai svarbūs – galbūt tamsioji Visata ar jos riba jau slepia atsakymą į tamsiosios materijos kilmės klausimą.
Quelle: journals.aps
Kommentare