Kolizja ciemnej materii? Badania gromady El Gordo

Wbrew temu, co mówi Model Standardowy, ciemna materia może rzeczywiście oddziaływać z sobą. Taki wniosek płynie z nowego badania przeprowadzonego przez Riccardo Valdarniniego z grupy Astrophysics and Cosmology w International School of Advanced Studies (SISSA) i opublikowanego w "Astronomy & Astrophysics" (DOI: 10.1051/0004-6361/202348000).

Za pomocą symulacji numerycznych Valdarnini przeanalizował to, co dzieje się wewnątrz El Gordo, ogromnej gromady galaktyk oddalonej od nas o siedem miliardów lat świetlnych. Obliczenia wskazały, że zaobserwowane w gromadzie fizyczne rozdzielenie między punktami maksymalnej gęstości ciemnej materii a punktami innych składników masy najlepiej wyjaśnia tzw. model SIDM (Self-Interacting Dark Matter), zgodnie z którym cząstki ciemnej materii w jakiś sposób oddziałują same ze sobą. Analizy Valdarniniego wskazują, że cząstki ciemnej materii wymieniają energię poprzez zderzenia, co ma interesujące konsekwencje astrofizyczne.

Model Standardowy to jedna z najważniejszych teorii we współczesnej fizyce. To ramy teoretyczne opisujące naturę na jej najbardziej podstawowym poziomie. Naukowcy używają go do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Model zaczęto rozwijać jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku. Jednak naukowcy mają świadomość, że jest on ograniczony i chociaż jest naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem dla fizyki cząstek elementarnych, zawiera luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, chociażby grawitacji czy tego, z czego składa się ciemna materia.

Ciemna materia to hipotetyczna materia, która według założeń nie emituje i nie odbija promieniowania świetlnego, dlatego bardzo trudną ją wykryć. Ale jej istnienie zdradzają wywierane przez nią efekty grawitacyjne, przynajmniej w ten sposób naukowcy tłumaczą anomalie w rotacji galaktyk i ruchu galaktyk w gromadach.

Mimo lat poszukiwań istnienie ciemnej materii nie zostało potwierdzone. Naukowcy wciąż starają się dociec, jaka jest jej dokładna natura i co ją tworzy. Zarówno obserwacje, jak i modele kosmologiczne sugerują, że tylko niewielka część masy i energii zawartej we Wszechświecie to materia barionowa, czyli ta zwykła, znana nam materia. Reszta to nieznane nam jeszcze składniki stanowiące ciemną materię oraz ciemną energię, która też jest hipotetyczną formą energii.

- Zgodnie z obecnie akceptowanym standardowym modelem kosmologicznym, obecna gęstość materii barionowej we Wszechświecie może stanowić tylko 10 proc. jego całkowitej zawartości materii. Pozostałe 90 proc. ma postać ciemnej materii — wyjaśnia Valdarnini, autor badania. - Ogólnie uważa się, że materia ta jest niebarionowa i składa się z zimnych, bezkolizyjnych cząstek, które reagują tylko na grawitację. Istnieje jednak wiele obserwacji, które nie zostały jeszcze wyjaśnione przy użyciu standardowego modelu. Aby odpowiedzieć na te pytania, kilku autorów proponuje alternatywny model, zwany SIDM – dodaje.

Udowodnienie tego, że elementy składowe ciemnej materii mogą zderzać się ze sobą, a przy okazji udowodnienie alternatywnych teorii kosmologicznych, jest bardzo skomplikowane. - Istnieją jednak unikalne laboratoria, które mogą okazać się bardzo przydatne w tym celu, wiele lat świetlnych od nas. Są to ogromne gromady galaktyk, gigantyczne struktury kosmiczne, które po zderzeniu determinują najbardziej energetyczne wydarzenia od Wielkiego Wybuchu – wyjaśnia Valdarnini.

El Gordo jest jedną z największych, najjaśniejszych i najgorętszych gromad galaktyk, jakie znamy. Jej masa oscyluje w okolicach trzech biliardów mas naszego Słońca. Ale gwiazdy, jak uważają badacze, to tylko jeden proc. masy całej gromady. Reszta to gorący gaz i pył w przestrzeni między gwiazdami.

El Gordo znajduje się w gwiazdozbiorze Feniksa, około siedem miliardów lat świetlnych od nas. Została sklasyfikowana jako ACT-CL J0102-4915, ale przyjęła się jej hiszpańska nazwa El Gordo, co można przetłumaczyć jako "duża" lub "gruba". Tak naprawdę El Gordo to dwie podgromady galaktyk zderzające się ze sobą z prędkością kilku milionów kilometrów na godzinę.

Te masywne podgromady zostały nazwane północno-zachodnią i południowo-wschodnią. Obraz rentgenowski gromady El Gordo pokazuje pojedynczy pik emisji rentgenowskiej w podgromadzie południowo-wschodniej i dwa słabe, wydłużone ogony. Godną uwagi cechą gromady jest szczyt jasności w zakresie rentgenowskim różnych składników masy. Pik rentgenowski poprzedza pik ciemnej materii w południowo-wschodniej części gromady. Co więcej, najjaśniejsza galaktyka gromady znajduje się za najjaśniejszym punktem w zakresie rentgenowskim, ale też za punktem najwyższej gęstości ciemnej materii.

Aby wyjaśnić swoje ustalenia i zweryfikować model SIDM Valdarnini użył dużego zestawu symulacji hydrodynamicznych. Chciał w ten sposób odtworzyć w symulacjach cechy obserwowane w El Gordo. Okazało się, że rozmieszczenie materii barionowej i ciemnej materii oraz promieniowania rentgenowskiego najlepiej tłumaczy model SIDM.

- Najważniejszym wynikiem symulacji jest to, że względne separacje zaobserwowane między różnymi masowymi centrami gromady są wyjaśnione, jeśli ciemna materia oddziałuje sama ze sobą. Te odkrycia dostarczają jednoznacznej sygnatury zachowania ciemnej materii, która wykazuje właściwości kolizyjne w niezwykle energicznym zderzeniu gromady galaktyk – wskazuje badacz.

Źródło: International School of Advanced Studies, fot. CC BY 3.0/ ESO/SOAR/NASA/ Wikimedia Commons