Materi gelap mungkin menyimpan rahasia yang lebih gelap lagi

Meskipun mustahil untuk difoto oleh teleskop dan masih jauh dari pemahaman sepenuhnya, materi gelap masih ada di mana-mana.

Misteri terdalam materi gelap berkaitan dengan sifat dan perilakunya. Gagasan umum mengenai materi gelap adalah teori materi gelap dingin (CDM), yang menyatakan bahwa materi gelap terdiri dari partikel-partikel berkecepatan rendah yang tidak berinteraksi satu sama lain. Pemikiran ini telah dibahas, dan kembali diperdebatkan. Dipimpin oleh ahli astrofisika Hai Bo Yu, tim peneliti dari Universitas California, California, telah menemukan ide alternatif yang menjelaskan keadaan ekstrem di mana materi gelap yang dingin tidak bekerja dengan baik.

Galaksi dan gugus galaksi diperkirakan dikelilingi oleh lingkaran cahaya materi gelap. Di satu sisi perdebatan terdapat lingkaran cahaya materi gelap galaksi yang terlalu padat untuk dapat kompatibel dengan CDM, dan di sisi lain terdapat lingkaran cahaya materi gelap galaksi yang terlalu tersebar untuk dipahami oleh CDM. Yu dan rekan-rekannya malah menyarankan adanya kekuatan gelap (maaf, penggemar Star Wars – tidak itu force) menyebabkan partikel materi gelap bertabrakan satu sama lain. Ini adalah materi gelap yang berinteraksi sendiri (SIDM).

Gagasan tentang interaksi partikel-partikel tak kasat mata, baik saling mendorong menjauhi dan keluar dalam corona yang tersebar, atau saling mendekat dan masuk ke dalam corona padat, mungkin adalah apa yang selama ini kita cari dalam kegelapan. Tapi pertama-tama, mengapa materi gelap dianggap dingin?

Hilang dalam kegelapan

Materi gelap disebut “gelap” karena interaksinya dengan materi tampak dan radiasi elektromagnetik lemah atau tidak ada sama sekali. Tidak ada cahaya yang dapat meneranginya karena tidak mampu melakukan interaksi signifikan dengan jenis radiasi elektromagnetik apa pun. Alasan mengapa materi gelap digambarkan sebagai “dingin”, setidaknya menurut teori materi gelap dingin, adalah karena partikel lambat dianggap bergerak jauh lebih lambat daripada kecepatan cahaya.

CDM tetap menjadi model standar materi gelap karena berfungsi untuk membangun dan memelihara struktur kosmik seperti galaksi. Jika materi gelap bersifat dingin, ia akan lebih mudah berkumpul dan berkumpul dibandingkan jika ia bergerak melalui ruang hampa, seperti yang terjadi jika semua materi gelap bersifat “panas” atau terdiri dari partikel-partikel ringan yang bergerak dengan kecepatan tinggi. Partikel materi gelap yang panas akan terlalu cepat membentuk struktur dalam jangka waktu lama, dan mungkin meratakan struktur yang bertabrakan dengannya. Materi gelap yang hangat berada di antara dingin dan panas.

Berapa banyak jenis materi gelap yang ada tidak diketahui. Beberapa ilmuwan bersikeras bahwa semua materi gelap itu dingin, sementara yang lain berpendapat bahwa ada lebih dari satu jenis materi gelap.

Meskipun CDM tidak mengatakan bahwa materi tak kasat mata ini benar-benar tidak bergerak, CDM tidak mengizinkan banyak partikel materi gelap untuk bertabrakan. Di sinilah SIDM berperan.

Memberi lebih banyak cahaya

Meskipun materi gelap panas dan hangat berada di luar cakupan penelitian mereka, Yu dan timnya menguji apakah SIDM dapat menjelaskan salah satu aspek materi gelap dingin yang tidak benar-benar berfungsi: ia kesulitan menjelaskan lingkaran cahaya materi gelap yang sangat padat dan sangat tersebar.

“Dalam [diffuse scenario]Interaksi memindahkan panas dari daerah korona luar ke dalam, sehingga mengurangi kepadatan pusat; Dalam [dense scenario]“Arah aliran panas berbalik dan corona bagian dalam menjadi lebih padat dibandingkan CDM,” kata mereka dalam sebuah pernyataan. diam Baru-baru ini diterbitkan di The Astrophysical Journal Letters.

Galaksi ultra-difusi UDG merupakan galaksi katai yang sangat redup karena bintang-bintangnya tersebar berjauhan satu sama lain. Gas pembentuk bintang tersebar terlalu tipis untuk menghasilkan banyak bintang baru. Halo materi gelap pada galaksi ultra-difusi menjangkau lebih jauh dibandingkan galaksi katai biasa, hal ini tidak akan terjadi pada partikel yang tidak bertabrakan seperti yang dikemukakan oleh CDM – partikel yang tidak berinteraksi akan saling berdekatan dan menghasilkan massa yang lebih padat. halo dengan jangkauan lebih pendek. SIDM memungkinkan partikel bertabrakan dan mentransfer panas, dan perluasan materi gelap yang dihasilkan dapat menjelaskan mengapa lingkaran cahaya ini sangat umum terjadi.

Skenario kedua berkaitan dengan lingkaran cahaya materi gelap yang sangat padat sehingga memengaruhi pelensaan gravitasi. Lingkaran cahaya padat ini mengandung materi gelap yang cukup untuk membelokkan ruangwaktu sehingga cahaya yang melewati wilayah ruang tersebut juga dibelokkan. Karena gangguan ini, objek di belakang galaksi lentikular diperbesar, meski seringkali dalam bentuk yang agak terdistorsi. SIDM juga mendukung konsentrasi materi gelap yang cukup untuk mempengaruhi pelensaan gravitasi, karena partikel yang bertabrakan seharusnya dapat mengarah ke dalam dan ke luar. Partikel yang bertabrakan satu sama lain meningkatkan kepadatan korona, dan segerombolan partikel tersebut dapat membentuk gelembung besar materi gelap yang menghasilkan pelensaan gravitasi.

Kita masih belum mengetahui tentang materi gelap dalam banyak hal. Sampai ada cara untuk mendeteksinya secara langsung, kita harus mengandalkan teori untuk melihat apakah ide seperti SIDM dapat bermanfaat. Mungkin suatu hari kita akan memiliki metode deteksi langsung yang pada akhirnya akan mengungkap rahasia materi gelap.

Surat Jurnal Astrofisika, 2023. DOI: 10.3847/2041-8213/ad0e09