V novej štúdii výskumníci naznačujú, že nedostatok hmoty vo vesmíre naznačuje, že temná hmota sa skladá z hypotetických ultraľahkých častíc nazývaných axióny. Ak sa to potvrdí, mohlo by to mať široké dôsledky pre naše chápanie vesmíru a mohlo by to dokonca poskytnúť podporu pre teóriu strún.

V štúdii zverejnenej 14. júna v Journal of Cosmology and Astroparticle PhysicsVýskumníci z University of Toronto odhalili teoretický prielom, ktorý môže vysvetliť tak neviditeľnú povahu temnej hmoty, ako aj rozsiahlu štruktúru vesmíru známu ako kozmická sieť. Výsledok vytvára nové spojenie medzi týmito dvoma dlhodobými problémami v astronómii a otvára nové možnosti pre pochopenie vesmíru.

Výskum naznačuje, že „problém zhlukovania“, ktorý sa sústreďuje okolo neočakávane rovnomerného rozloženia hmoty vo veľkých mierkach v celom vesmíre, môže byť znakom toho, že temná hmota sa skladá z hypotetických ultraľahkých častíc nazývaných axióny. Dôsledky dokazovania existencie ťažko detegovateľných osí siahajú ďaleko za hranice pochopenia temnej hmoty a môžu riešiť základné otázky o povahe samotného vesmíru.

Mapa galaxií v miestnom vesmíre, ako ju vidí Sloan Digital Sky Survey, ktorú výskumníci použili na testovanie teórie axiónov. Každý bod je galaktické miesto a Zem je v strede mapy. Kredit: Sloan Digital Sky Survey

„Ak to potvrdia budúce pozorovania teleskopom a laboratórne experimenty, nájdenie temnej hmoty z axionov bude jedným z najdôležitejších objavov tohto storočia,“ hovorí hlavný autor Keir Rogers, člen Dunlap v Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics na College of. Umenie a astrofyzika vedy na University of Toronto. „Naše výsledky zároveň poukazujú na vysvetlenie, prečo je vesmír menej hrudkovitý, ako sme si mysleli, pozorovanie, ktoré sa za posledné desaťročie stalo čoraz zreteľnejším a v súčasnosti ponecháva našu teóriu vesmíru neistú.“

Pri formovaní vesmíru gravitácia vytvára pavučinovú štruktúru vlákien, ktoré spájajú galaxie a kopy galaxií pozdĺž neviditeľných mostov dlhých stovky miliónov svetelných rokov. Toto je známe ako kozmická sieť. Poďakovanie: Volker Sprengel (Inštitút Maxa Plancka pre astrofyziku) a kol.

Temná hmota, ktorá tvorí 85 % hmoty vesmíru, je neviditeľná, pretože neinteraguje so svetlom. Vedci skúmajú účinky gravitácie na viditeľnú hmotu, aby pochopili, ako je rozložená vo vesmíre.

Jedna vedúca teória navrhuje, že temná hmota sa skladá z axiónov, ktoré sú v kvantovej mechanike opísané ako „fuzzy“ kvôli ich vlnovému správaniu. Na rozdiel od diskrétnych bodových častíc môžu mať axióny dlhšie vlnové dĺžky ako celé galaxie. Táto neostrosť ovplyvňuje zloženie a distribúciu temnej hmoty, čo môže vysvetľovať, prečo je vesmír menej hrudkovitý, ako by sa dalo očakávať vo vesmíre bez osí.

Počítačová simulácia časti vesmíru s osami alebo bez nich, ktorá ukazuje, ako je štruktúra kozmickej siete temnej hmoty menej hrudkovitá, ak má osi. Čo sa týka veľkosti, Mliečna dráha bude sedieť vo vnútri jednej z malých zelených bodiek nazývaných halo. Poďakovanie: Alexander Spencer London/Alex Lago

Tento nedostatok zhlukovania bol pozorovaný pri prieskumoch veľkých galaxií, čo spochybňuje inú prevládajúcu teóriu, že temná hmota pozostáva výlučne zo slabo interagujúcich ťažkých subatomárnych častíc nazývaných WIMP. Napriek experimentom, ako je Veľký hadrónový urýchľovač, sa nenašli žiadne dôkazy, ktoré by podporovali existenciu WIMP.

Keir Rogers, hlavný autor štúdie a člen Dunlap v Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics. Poďakovanie: S láskavým dovolením Keir Rogers

„Vo vede, keď sa idey odhaľujú, robia sa nové objavy a riešia sa staré problémy,“ hovorí Rogers.

Pre štúdiu výskumný tím – vedený Rogersom a vrátane členov výskumnej skupiny docenta Rene Hluczeka na Dunlap Institute, ako aj z University of Pennsylvania, Inštitútu pre pokročilé štúdium,[{“ attribute=““>Columbia University and King’s College London — analyzed observations of relic light from the Big Bang, known as the Cosmic Microwave Background (CMB), obtained from the Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope and South Pole Telescope surveys. The researchers compared these CMB data with galaxy clustering data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), which maps the positions of approximately a million galaxies in the nearby universe. By studying the distribution of galaxies, which mirrors the behavior of dark matter under gravitational forces, they measured fluctuations in the amount of matter throughout the universe and confirmed its reduced clumpiness compared to predictions.

The researchers then conducted computer simulations to predict the appearance of relic light and the distribution of galaxies in a universe with long dark matter waves. These calculations aligned with CMB data from the Big Bang and galaxy clustering data, supporting the notion that fuzzy axions could account for the clumpiness problem.

Future research will involve large-scale surveys to map millions of galaxies and provide precise measurements of clumpiness, including observations over the next decade with the Rubin Observatory. The researchers hope to compare their theory to direct observations of dark matter through gravitational lensing, an effect where dark matter clumpiness is measured by how much it bends the light from distant galaxies, akin to a giant magnifying glass. They also plan to investigate how galaxies expel gas into space and how this affects the dark matter distribution to further confirm their results.

Understanding the nature of dark matter is one of the most pressing fundamental questions and key to understanding the origin and future of the universe.

Presently, scientists do not have a single theory that simultaneously explains gravity and quantum mechanics — a theory of everything. The most popular theory of everything over the last few decades is string theory, which posits another level below the quantum level, where everything is made of string-like excitations of energy. According to Rogers, detecting a fuzzy axion particle could be a hint that the string theory of everything is correct.

“We have the tools now that could enable us to finally understand something experimentally about the century-old mystery of dark matter, even in the next decade or so—and that could give us hints to answers about even bigger theoretical questions,” says Rogers. “The hope is that the puzzling elements of the universe are solvable.”

Reference: “Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering” by Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E. Philcox, Giovanni Cabass, Kazuyuki Akitsu and David J.E. Marsh, 14 June 2023, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/06/023

National Aeronautics and Space Administration, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, David Dunlap family and University of Toronto, Connaught Fund.