Екзотична тъмна материя може да е създала гигантски нишки запълващи ранната Вселена

Тъмната материя, мистериозната субстанция, съставляваща четвърт от масата и енергията на Вселената, може би е съставена от изключително малки и леки частици, сочат нови изследвания.

Тази „размита“ форма на тъмна материя е наречена така, заради дължината на вълните на тези дребни частици, които биха били размити на колосално огромна площ. Ако е така, това би променило хода на космическата история и като дълги и мъгливи нишки биха запълнили ранната вселена, вместо тромавите галактики, показват симулациите.

Откритията имат наблюдателни последици – бъдещите телескопи ще могат да надникнат в този ранен период от време и потенциално да разграничат различните видове тъмна материя, което ще позволи на физиците да разберат по-добре нейните свойства.

Тъмната материя е неизвестно масивно вещество, разположено в целия космос. То не излъчва светлина – оттук идва и името тъмна материя – но гравитационните му ефекти помагат да се свържат заедно галактически клъстери и да предизвикат въртене на звезди в краищата на галактиките по-бързо, отколкото иначе биха се въртели.

Много учени смятат, че по-голямата част от тъмната материя е студена, което означава, че се движи сравнително бавно. Но има и съвсем различни идеи, като например възможността тя да е тънка и размита, което означава, че ще се движи по-бързо, защото е по-лека.

„Нашите симулации показват, че първите галактики и звезди, които са се образували, изглеждат много по-различно във Вселена с размита тъмна материя, отколкото във Вселена, която има студена тъмна материя“, казва Лаклан Ланкастър, астрофизик в Принстънския университет и съавтор на нова студия в списание Physical Review Letters.

Ланкастър обяснява, че най-често срещаните спекулации за тъмната материя предполагат, че тя е съставена от слабо интерактивни масивни частици (WIMPs), които биха имали няколко десетки или стотици пъти повече маса в сравнение с протона. Симулациите, които използват този тип тъмна материя, са изключително добри за възстановяване на мащабната структура на Вселената, включваща огромни празни пространства, заобиколени от дълги, паяковидни нишки от газ и прах, образувание, известно като космическа мрежа.

Но при по-малки мащаби такива модели съдържат редица несъответствия от това, което астрономите наблюдават със своите телескопи. В този стандартен изглед тъмната материя трябва да се натрупва в центровете на галактиките, но никой не е виждал това да става.

За сметка на това, размитата тъмна материя би била невероятно по-лека, може би милиардна част от масата на електрона. Квантовата механика казва, че частиците също могат да се разглеждат като вълни, с дължини обратно пропорционални на тяхната маса. Това значи, че дължината на вълната на такава светлинна частица би имала дължина от хиляди светлинни години.

За размитата тъмна материя следователно би било по-трудно да се скупчи в сравнение със студената, WIMP тъмна материя. В симулации Ланкастър и неговите съавтори показват, че една Вселена от студена тъмна материя ще образува галактики сравнително бързо от сферични ореоли.

За разлика от нея, размитата тъмна материя ще се слее в дълги, мъгливи струни от материал – „гигантски нишки, вместо тромави галактики“, казва Ланкастър, а галактиките ще се раждат по-големи и по-късно. За тъмната материя също ще бъде по-трудно да се събира и трупа в центровете на галактиките, което би обяснило защо астрономите не наблюдават тази тромавост, когато гледат галактиките.

Инструменти като големия телескоп за синоптични изследвания (LSST) в Чили и телескопи от клас 30 метра, които се изграждат по света, скоро ще могат да надникнат в някои от най-ранните дни на Вселената. Очаква се те да започнат да получават данни през следващото десетилетие, което означава, че „или ще започнем да виждаме ефекта на размитата тъмна материя, или ще започнем да го изключваме“, казва Ланкастър.

Въпреки че други изследователи спекулират с размитата тъмна материя, новите симулации дават повече възможности за разработването на космологичните ефекти, заяви Йеремия Острикер, астрофизик от Колумбийския университет, който не участва в разработката.

„Това помага да се очертаят подробности за това как би била формирана структурата в тази теория на вариантите“, добавя Острикер.

Ланкастър казва, че бъдещите симулации на неговия екип може да се съсредоточат върху улавянето на повече подробности за ефекта на размитата тъмна материя, което потенциално ще даде на астрономите по-добра представа за това, което те могат да очакват да видят чрез своите телескопи.