Megmagyarázhatja az univerzum nagy skálás szerkezetét és a láthatatlan sötét anyag természetét egy júniusban publikált új elméleti áttörés. A kutatás kapcsolatot teremt a két régóta fennálló csillagászati probléma között és új lehetőségeket nyit meg a kozmosz megértésére. A tanulmányt a Journal of Cosmology and Astroparticle Physics tudományos folyóiratban publikálták.

Az új kutatás szerint a ,,csomósodás problémája”, aminek a középpontjában az univerzum anyagának nagy skálákon váratlanul egyenletes eloszlása áll, annak a jele lehet, hogy a sötét anyagot egy hipotetikus, ultrakönnyű részecske alkotja, az ún. axion. A nehezen detektálható axion részecskék létezésének bebizonyításával nem csak a sötét anyag természetét lehetne magyarázni, hanem a világegyetem természetének alapvető kérdéseire is választ találhatnánk.

Az univerzum fejlődése során a gravitáció hatalmas, pókhálószerű filamentumos szerkezetet hoz létre, galaxisokat és galaxiscsoportokat kötve össze láthatatlan, több száz millió fényév hosszú hidakkal. Ezt a struktúrát nevezik kozmikus hálónak. (Forrás: Volker Springel, Max Planck Institute for Astrophycics, et al.)

Keir Rogers, a tanulmány vezetőjének elmondása szerint ha a jövőben távcsöves megfigyelésekkel és laboratóriumi kísérletekkel bebizonyítják az elméletüket, az axion sötét anyag felfedezése az évszázad egyik legjelentősebb eredménye lehet. Az elméletük azt magyarázza, hogy miért kevésbé csomós az univerzum, mint várjuk; ez a váratlanul egyenletes eloszlás az elmúlt évtizedekben egyre világosabbá vált és elbizonytalanította a világegyetemről alkotott elméleteinket.

Az univerzum tömegének 85%-át alkotó sötét anyag láthatatlan, mert nem lép kölcsönhatásba a fénnyel. A kutatók a látható anyagra gyakorolt gravitációs hatásait vizsgálják, hogy így derítsék ki, miként oszlik el az univerzumban. Az egyik vezető elmélet szerint a sötét anyagot axionok alkotják, amiket kvantummechanikában hullámszerű viselkedésük miatt ,,bolyhos” részecskéknek neveznek. A diszkrét, pontszerű részecskékkel ellentétben az axionok hullámhossza akár teljes galaxisok méretét is meghaladhatja. Ez a bolyhosság befolyásolja a sötét anyag képződését és eloszlását, potenciálisan megmagyarázva, hogy miért kevésbé csomós az univerzum, mintha egy axionok nélküli univerzumot tételeznénk fel.

A Sloan Digital Sky Survey égboltfelmérés eredményei a lokális univerzum galaxisainak eloszlásáról. Minden egyes pont egy galaxist jelent, a Föld pedig a képen középen található. Ezeket az adatokat használták az axion elmélet tesztelésére. (Forrás: Sloan Digital Sky Survey)

A csomósodás hiányát nagy skálás galaxisfelmérések során figyelték meg, megkérdőjelezve a másik vezető elméletet, miszerint a sötét anyag csak nehéz, gyengén kölcsönható, szubatomikus részecskékből áll (más néven WIMP az angol weakly interacting sub-atomic particles névből). Hiába kísérleteznek viszont a Nagy Hadronütköztetővel (LHC), egyelőre nem találtak bizonyítékot a WIMP-ek létezésére.

Az új kutatásban az Ősrobbanásból visszamaradt utófénylésről, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásról (CMB) készített 2018-as Planck, az ACT (Atacama Cosmology Telescope) és az SPT (South Pole Telescope) felmérések adatait használták. A CMB adatokat összehasonlították a galaxisok csoportosulásával az univerzum nagy léptékű szerkezetét vizsgáló BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) felmérés eredményeivel, ami a közeli univerzum körülbelül egymillió galaxisának pozícióját tartalmazza. A galaxisok eloszlásának tanulmányozásával (ami a sötét anyag gravitációs erőhatások hatására bekövetkező viselkedését tükrözi) megbecsülték az univerzumban lévő anyag fluktuációit és bizonyították, hogy a jóslatokhoz képest kisebb mértékű a csomósodás.

Az univerzum egy részletének számítógépes szimulációja axionokkal (bal oldal) és axionok nélkül (jobb oldal). Látható, hogy axionokkal kevésbé csomós a kozmikus háló, mintha nélküle modellezünk. A méretskála érzékeltetéséhez az ábrán a Tejútrendszer egy kicsi zöld pont lenne. (Forrás: Alexander Spencer London, Alex Laguë)

Ezután számítógépes szimulációkkal jelezték elő a CMB megjelenését, illetve a galaxisok eloszlását a hosszú hullámhosszú sötét anyag feltételezésével. Ezek a számítások jól visszaadják a CMB és a galaxisok eloszlásának adatait is, alátámasztva az elméletet, hogy a csomósodás problémáját a bolyhos axionok okozhatják.

Következő lépésként nagy léptékű felméréseket fognak végezni több millió galaxisról, illetve precíz méréseket a csomósodásról, többek között a Rubin Obszervatóriummal. A kutatók célja az elméletüket a sötét anyag közvetlen megfigyelésével összehasonlítani gravitációs lencsézéssel, amely során a sötét anyag csomósodása elhajlítja a távoli galaxisokból érkező fény pályáját, egyfajta hatalmas nagyítóként viselkedve. Emellett azt is tervezik vizsgálni, hogy a galaxisok hogyan juttatnak gázt a csillagközi térbe és ez hogyan befolyásolja a sötét anyag eloszlását. A sötét anyag természetének megismerése napjaink egyik legégetőbb alapvető kérdése, ami kulcsfontosságú szerepet játszik az univerzum eredetének és jövőjének megértésében.

Jelenleg nincsen egyetlen elmélet, ami egyidejűleg magyarázatot ad a gravitációra és a kvantumfizikára is – ez lenne a nagy egyesített elmélet. A legnépszerűbb magyarázatot a húrelmélet adja, ami azt teszi fel, hogy a kvantumok szintje alatt létezik még egy szint, ahol a részecskéket kiterjedt objektumoknak, húroknak tekintjük. Keir Rogers szerint ha detektáljuk a bolyhos axion részecskét, az arra utalhat, hogy a húrelmélet helyes lehet. Rogers szerint megvannak hozzá az eszközeink, hogy akár a következő évtizedben végre megoldjuk a sötét anyag problémáját és még nagyobb elméleti problémák megválaszolásához is közelebb kerülhessünk. A remény tehát továbbra is az, hogy az univerzum rejtélyes kérdései megoldhatók.

Forrás: University of Toronto