”Ett bunt med mikroskopiska tornadon” kan ha gett universum sin struktur, nya studier tipsar
Universumets osynliga mörka materia kan virvla in i snurrande klumpar snörda med otaliga små virvlar, antyder nytt teoretiskt arbete.
Resultaten, publicerad 30 maj i tidskriften Fysisk recension DErbjud ett nytt perspektiv på det konstiga beteendet hos ”ultralätt” mörk materia – ett hypotetiskt ämne gjord av extremt ljusa elementära partiklar.
I den nya studien undersökte fysiker vad som händer när en mörk materia halo roterar – en naturlig förväntan på verkliga galaxer, som vanligtvis snurrar när de utvecklas. Baserat på deras teoretiska modellering och detaljerade simuleringar fann författarna att detta exotiska material kunde bete sig som en superfluid och bilda stabila, roterande kärnor gängade med virvelgitter mycket som de som ses i laboratorieexperiment.
En speciell typ av mörk materia
Till skillnad från standardvyn på mörk Som ett moln av tunga, tröga partiklar utan inre struktur, fokuserar den nya forskningen på mörkt material av partiklar som är lättare än en miljondel av en elektronmassa. Dessa partiklar kanske inte flyter passivt i rymden; Om de interagerar något med varandra genom en avvisande kraft, kan de bete sig mer som en kvantvätska.
Det vätskeliknande beteendet tillåter bildandet av ”solitons”-kompakta, sammanhängande strukturer där tyngdkraftens drag inåt balanseras av ett yttre tryck från självinteraktioner.
”Solitons är klassiska lösningar av rörelsekvationerna,” Philippe Braxen teoretisk fysiker vid Université Paris-Saclay och medförfattare till studien, berättade Live Science. ”De motsvarar hydrostatiska jämvikt där den attraktiva gravitationskraften balanseras av den avvisande partikelens självinteraktion, något som solen, som också är i hydrostatisk jämvikt.”
Dessa solitoner kan sträcka sig från storleken på stjärnor till hela galaxer, beroende på den okända massan av den mörka materiepartikeln. I större fall kan de hjälpa till att förklara varför centra av galaxer verkar mindre tätt packade med mörk materia än förutsagt-en långvarig fråga i kosmologi.
Från snurrande moln till virvelgitter
Forskarna simulerade vad som händer när moln av denna ovanliga mörka materia roterar. Resultatet var överraskande: istället för att snurra smidigt som en orkan eller en solid sfär utvecklade solitonerna ett internt gitter av mikroskopiska virvlar.
”När de initiala förhållandena är sådana att Dark Matter Cloud roterar är slutresultatet en roterande soliton i mitten av den kollapsade halo,” sade studieledare medförfattare Patrick Valageasockså av Université Paris-Saclay. ”Denna soliton visar en oöverträffad form i linje med den initiala rotationsaxeln och visar en fast kroppsrotation som stöds av kvantiserade virvlar.”
Dessa virvlar är inte som virvlande vindar eller bubbelpooler i vatten. Snarare liknar de de kvantiserade virvellinjerna som förekommer i superfluider som flytande helium, där vätskan inte roterar som helhet utan genom en rad diskreta snurrtrådar. I mitten av varje virvel sjunker den mörka materietätheten till noll, och tillsammans anpassas virvlarna till ett vanligt gitterliknande mönster.
”Våra simuleringar visar att dessa virvellinjer är i linje med det totala vinkelmomentet och följer cirkulära banor inuti Soliton,” sade Valageas. ”Rotationen är inte som en slät vind men mer som ett bunt mikroskopiska tornadon arrangerade i ett kristallmönster.”
En spännande idé som forskarna tog upp är om dessa små virvelstrukturer har konsekvenser på mycket större skalor. I synnerhet spekulerade de att vissa virvellinjer kan sträcka sig utöver en enda halo och ansluta galaxer genom de stora filamenten på kosmisk webb -De gigantiska slingorna av mörk materia som formar universumets storskaliga struktur.
”I detta skede är idén att några av dessa virvellinjer kan gå med olika glorier genom filamenten på den kosmiska webben en hypotes,” konstaterade Brax. Om det är sant kan det betyda att kvanteffekter i mörkt material subtilt påverkar hur galaxer anpassar sig och rör sig inom dessa kolossala trådar.
Att upptäcka sådana virvelstrukturer skulle vara utmanande. Eftersom mörk materia inte avger eller absorberar ljus, kan forskare bara dra slutsatsen från dess gravitationsinflytande på synlig materia som stjärnor och gas.
Ändå kan det finnas sätt att skymta deras effekter. ”Dessa virvlar är förknippade med tråg i den mörka materietätheten,” sade Brax. ”Som sådan präglar de karakteristiska drag i gravitationspotentialen, som kan påverka banorna av stjärnor eller gasmoln i galaxer som Mjölkväg. ”
I mer spekulativa scenarier, om mörk materia interagerar ännu svagt med vanligt material eller ljus, kan virvlarna lämna mer direkta fingeravtryck – men för tillfället förblir det en öppen fråga.
Teamet planerar att undersöka om de förutsagda virvelgitterna kan upptäckas genom astronomiska observationer och om de verkligen ansluter till de kosmiska filamenten som sträcker sig över rymden.
För tillfället förblir dessa spöklika bubbelpooler osynliga – men när teorin och tekniken går framåt kan forskare upptäcka att kosmos inte bara är fylld med osynliga ämnen utan vävd med mönster av snurrande kvanttrådar.
