Σε αντίθεση με ό,τι καθιερώνεται από το τυπικό μοντέλο, η σκοτεινή ύλη μπορεί πράγματι να αλληλεπιδρά με τον εαυτό της. Αυτό ήταν το συμπέρασμα μιας νέας έρευνας που διεξήχθη από τον Riccardo Valdarnini της ομάδας Αστροφυσικής και Κοσμολογίας της SISSA και δημοσιεύτηκε στο Astronomy & Astrophysics (A&A) .

Χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις, η μελέτη ανέλυσε τι συμβαίνει μέσα στο «El Gordo» (κυριολεκτικά «The Fat One» στα ισπανικά), ένα γιγάντιο σμήνος που συγχωνεύεται επτά δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από εμάς. Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι σε αυτό το σύμπλεγμα ο παρατηρούμενος φυσικός διαχωρισμός μεταξύ των σημείων μέγιστης πυκνότητας της σκοτεινής ύλης και εκείνων των άλλων συστατικών μάζας μπορεί να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας το λεγόμενο μοντέλο SIDM (Self-Interacting Dark Matter), σε αντίθεση με το πρότυπο ένας.

Αυτή η έρευνα συμβάλλει σημαντικά υπέρ του μοντέλου SIDM, σύμφωνα με το οποίο τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ανταλλάσσουν ενέργεια μέσω συγκρούσεων, με ενδιαφέρουσες αστροφυσικές επιπτώσεις.

«El Gordo»: Μια γιγάντια κοσμική δομή για τη μελέτη της σκοτεινής ύλης
«Σύμφωνα με το επί του παρόντος αποδεκτό πρότυπο κοσμολογικό μοντέλο, η τρέχουσα πυκνότητα βαρυονικής ύλης του Σύμπαντος μπορεί να αντιπροσωπεύει μόνο το 10% της συνολικής περιεκτικότητάς του σε ύλη. Το υπόλοιπο 90% έχει τη μορφή της Σκοτεινής Ύλης», εξηγεί ο Riccardo Valdarnini, συγγραφέας της έρευνας.

«Γενικά πιστεύεται ότι αυτή η ύλη δεν είναι βαρυονική και αποτελείται από ψυχρά σωματίδια χωρίς σύγκρουση, τα οποία ανταποκρίνονται μόνο στη βαρύτητα. Εξ ου και το όνομα «Cold Dark Matter» (CDM). Ωστόσο, υπάρχει ακόμη ένας αριθμός παρατηρήσεων που δεν έχουν ακόμη εξηγηθεί χρησιμοποιώντας το τυπικό μοντέλο», λέει ο ερευνητής. «Για να απαντηθούν αυτές οι ερωτήσεις, αρκετοί συγγραφείς προτείνουν ένα εναλλακτικό μοντέλο, που ονομάζεται SIDM».

Η απόδειξη των ιδιοτήτων σύγκρουσης της σκοτεινής ύλης και, γενικότερα, των εναλλακτικών θεωριών στο τυπικό κοσμολογικό μοντέλο είναι πολύ περίπλοκη: «Υπάρχουν, ωστόσο, μοναδικά εργαστήρια που μπορούν να αποδειχθούν πολύ χρήσιμα για αυτόν τον σκοπό, πολλά έτη φωτός μακριά μας. Αυτά είναι τα ογκώδη σμήνη γαλαξιών, οι γιγάντιες κοσμικές δομές που, κατά τη σύγκρουση, καθορίζουν τα πιο ενεργητικά γεγονότα από τη Μεγάλη Έκρηξη . Με μάζα περίπου 10 15 ηλιακών μαζών, το El Gordo είναι ένα από τα μεγαλύτερα σμήνη γαλαξιών που γνωρίζουμε. Λόγω των ιδιαιτεροτήτων του, το El Gordo έχει αποτελέσει αντικείμενο πολυάριθμων μελετών, τόσο θεωρητικών όσο και παρατηρητικών».

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι σύγκρουση
Σύμφωνα με το τυπικό παράδειγμα, κατά τη διάρκεια μιας συγχώνευσης σμήνους, η συμπεριφορά του συστατικού της μάζας αερίου σε σύγκρουση θα διαφέρει από εκείνη των άλλων δύο συστατικών – γαλαξιών και σκοτεινής ύλης. Σε αυτό το σενάριο, το αέριο θα διαλύσει μέρος της αρχικής του ενέργειας.

«Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, μετά τη σύγκρουση, η κορυφή της πυκνότητας μάζας αερίου θα υστερεί σε σχέση με εκείνη της σκοτεινής ύλης και των γαλαξιών», εξηγεί ο Valdarnini.

Με το μοντέλο SIDM, ωστόσο, θα πρέπει να παρατηρηθεί ένα περίεργο φαινόμενο, δηλαδή ο φυσικός διαχωρισμός των κεντροειδών της σκοτεινής ύλης – τα σημεία μέγιστης πυκνότητάς του – από αυτά άλλων συστατικών μάζας με ιδιαιτερότητες που αντιπροσωπεύουν μια πραγματική «Υπογραφή των μοντέλων SIDM». Σύμφωνα με παρατηρήσεις, αυτό ακριβώς συμβαίνει μέσα στο «El Gordo».

Παρατηρώντας τον Ελ Γκόρντο
«Ας ξεκινήσουμε με παρατηρήσεις:» εξηγεί ο Valdarnini. Το El Gordo αποτελείται από δύο ογκώδη υποσυστήματα, που εκφράζονται αντίστοιχα βορειοδυτικά (ΒΔ) και νοτιοανατολικά (ΝΑ). Η εικόνα ακτίνων Χ του συμπλέγματος “El Gordo” δείχνει μια μοναδική κορυφή εκπομπής ακτίνων Χ στο υποσυστάδα SE και δύο αχνά ουρές επιμήκεις πέρα ​​από την κορυφή των ακτίνων Χ. Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό είναι η θέση κορυφής των διαφορετικών εξαρτημάτων μάζας. Σε αντίθεση με αυτό που μπορεί να φανεί στο Bullet Cluster, ένα άλλο σημαντικό παράδειγμα συγκρουόμενου σμήνος, η κορυφή των ακτίνων Χ προηγείται της κορυφής της σκοτεινής ύλης SE.

«Επιπλέον, ο Φωτεινός Γαλαξίας Σμήνος (BCG) όχι μόνο ακολουθεί την αιχμή των ακτίνων Χ, αλλά φαίνεται επίσης να μετατοπίζεται χωρικά από το κέντρο μάζας ΝΑ. Μια άλλη αξιοσημείωτη πτυχή μπορεί να φανεί στο σμήνος ΒΔ, όπου η κορυφή της πυκνότητας του αριθμού των γαλαξιών είναι χωρικά μετατοπισμένη από την αντίστοιχη κορυφή μάζας.»

Ο ρόλος της σύγκρουσης σκοτεινής ύλης στα φαινόμενα “El Gordo”.
Προκειμένου να εξηγήσει τα ευρήματά του και να επικυρώσει τα μοντέλα SIDM, στη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Astronomy & Astrophysics , ο Valdarnini χρησιμοποίησε ένα μεγάλο σύνολο αποκαλούμενων N-body/υδροδυναμικών προσομοιώσεων. Έτσι, πραγματοποίησε μια συστηματική μελέτη με στόχο την αναπαραγωγή των παρατηρητικών χαρακτηριστικών του «El Gordo».

«Το πιο σημαντικό αποτέλεσμα αυτής της μελέτης προσομοίωσης είναι ότι οι σχετικοί διαχωρισμοί που παρατηρούνται μεταξύ των διαφορετικών κεντροειδών μάζας του συμπλέγματος «El Gordo» εξηγούνται φυσικά εάν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τον εαυτό της», δηλώνει ο Valdarnini. «Για αυτόν τον λόγο, αυτά τα ευρήματα παρέχουν μια ξεκάθαρη υπογραφή μιας συμπεριφοράς της σκοτεινής ύλης που παρουσιάζει ιδιότητες σύγκρουσης σε μια πολύ ενεργητική σύγκρουση συστάδων υψηλής μετατόπισης ερυθρού.

«Υπάρχουν, ωστόσο, ασυνέπειες, καθώς οι τιμές διατομής SIDM που λαμβάνονται από αυτές τις προσομοιώσεις είναι υψηλότερες από τα σημερινά ανώτατα όρια, τα οποία είναι της τάξης της ενότητας σε κλίμακες συστάδων. Αυτό υποδηλώνει ότι τα σημερινά μοντέλα SIDM θα πρέπει να θεωρούνται μόνο ως μια προσέγγιση χαμηλής τάξης και ότι οι υποκείμενες φυσικές διεργασίες που περιγράφουν την αλληλεπίδραση της σκοτεινής ύλης σε μεγάλες συγχωνεύσεις συστάδων είναι πιο περίπλοκες από ό,τι μπορεί να αναπαρασταθεί επαρκώς από την συνήθως υποτιθέμενη προσέγγιση που βασίζεται στη σκέδαση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.

«Η μελέτη κάνει μια συναρπαστική υπόθεση για τη δυνατότητα αυτοαλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης μεταξύ συγκρουόμενων σμήνων ως εναλλακτική λύση στο τυπικό παράδειγμα σκοτεινής ύλης χωρίς σύγκρουση».

photo: pixabay