📅 🏦 🚵🏼 Berapa suhu materi gelap? 📫 🍁 🥝

Faktanya tidak pernah berjalan seiring dengan keajaiban. Kebenaran membenci bantuan mukjizat. Sebuah fakta bertepatan dengan fakta lain di alam semesta, dan ini adalah bagaimana seseorang dapat mengetahui apakah itu fakta atau tidak. Sebuah kebohongan tidak akan bertepatan dengan apa pun kecuali kebohongan lain.
- Robert Green Ingersoll

Salah satu fakta paling menakjubkan tentang alam semesta adalah bahwa ia dapat diketahui! Beberapa hukum dasar, sifat, dan partikel, sejauh yang kita tahu, dapat mengarahkan kita dari Semesta yang panas, padat, dan hampir homogen ke sistem miliaran bintang yang rumit dalam miliaran galaksi yang kita amati.

Salah satu yang paling mengejutkan, tetapi juga hasil studi Universe yang paling dapat diandalkan adalah bahwa materi gelap, suatu bentuk materi yang tidak berinteraksi dengan cahaya, atom atau dirinya sendiri, dengan pengecualian interaksi gravitasi, tidak hanya ada, tetapi juga menang atas jumlah atom lima kali!

Sejumlah besar bukti mengarah pada kesimpulan ini, dua yang terbaik adalah fluktuasi dalam CMB

dan distribusi galaksi - yang dikenal sebagai struktur skala besar - di seluruh Alam Semesta.

Apa yang ingin kita lakukan selanjutnya adalah mencari cara membuat dan / atau menemukan materi gelap untuk memahami apa itu.

Sayangnya, karena ia tidak berinteraksi dengan materi biasa, kecuali melalui gravitasi, dan gravitasi lebih lemah dari sekali setiap 10³⁰ , dari interaksi yang diketahui lainnya, kami belum dapat melakukan ini. Tetapi salah satu pertanyaan yang bisa kita tanyakan dan jawab melalui pengamatan adalah apa energi kinetik materi gelap dalam kaitannya dengan massanya.

Fluktuasi CMB sepenuhnya independen dari ini. Materi gelap dapat bergerak dengan kecepatan ultra-relativistik, atau praktis tidak bergerak sama sekali, dan fluktuasi ini tidak akan berubah sama sekali.

Tetapi banyak hal sensitif terhadap kecepatan materi gelap. Sebagai analogi, anggap itu sebagai molekul di dalam bola.

Jika molekul bergerak cepat, ini berarti suhu tinggi, dan bola mengalami tekanan dari dalam, akibatnya menjadi besar, dan gas dalam bola menjadi langka.

Di sisi lain, jika molekul bergerak lambat, ini sesuai dengan suhu rendah, tekanan bola di dalamnya kecil, dan menjadi kecil, dan gas di dalamnya menjadi padat.

Tetapi analogi ini tidak dapat sepenuhnya diterapkan pada materi gelap. Molekul biasa saling bertabrakan dan dengan permukaan bola. Materi gelap hanya terbang dengan kecepatan yang ada di alam semesta yang mengembang. Ia dapat bergerak cukup lambat untuk memfasilitasi keruntuhan gravitasi benda (dan pembentukan bintang, galaksi, kluster, dll.), Atau bergerak cepat, sehingga sulit untuk membentuknya.

Mari kita melihat masa lalu Semesta untuk mengklarifikasi masalah ini.

Kita akan melihat banyak struktur yang memaksakan pembatasan suhu, atau kecepatan materi gelap. Di alam semesta yang berusia ratusan juta tahun, kita tidak hanya akan menemukan galaksi atau quasar, meskipun keberadaannya sangat penting.

Kita akan menemukan dalam skala yang lebih kecil partikel hidrogen purba yang runtuh, sangat padat dan dingin. Karena kedalaman dan lebar kecil garis pada grafik - garis serapan potongan dingin hidrogen di awal Semesta - kita dapat membatasi kecepatan pergerakan materi gelap.

Jadi kita bisa menolak gagasan materi gelap panas, yang sebagian besar adalah semacam neutrino relativistik biasa dari massa kecil. Tetapi kita dapat mensimulasikan suhu yang berbeda dari materi gelap - panas, dingin, atau sesuatu yang rata-rata, dan melihat prediksi yang diperoleh.

Dari atas ke bawah - model materi gelap yang dingin, hangat, dan panas, di

sini kesenangan dimulai. HM dingin dan hangat memberikan hasil yang umumnya bertepatan dengan pengamatan struktur skala kecil dan besar. Pada skala ratusan ribu tahun cahaya ke atas, kedua jenis HM ini membentuk struktur yang hampir tidak bisa dibedakan. Tetapi pada skala yang lebih kecil, tidak melebihi satu galaksi besar, ada perbedaan yang sangat jelas.

Untuk mensimulasikan, Anda dapat mempelajari galaksi individual dan membuat ulang distribusi materi gelap di dalamnya. Prediksi teori cold TM bertepatan dengan empat garis atas, yang sulit untuk didamaikan dengan pengamatan. Model isotermal (garis bawah) selalu bekerja lebih baik, tetapi tidak ada kandidat yang cocok untuk partikel di antara itu (dan untuk TM dingin ada WIMP, axion, dan banyak kandidat lainnya).

Tetapi para astronom telah lama percaya bahwa TM hangat akan lebih cocok. Fisikawan lebih suka cold TM, karena akan lebih mudah dideteksi - di sinilah upaya sebagian besar proyek, termasuk CDMS, XENON, Edelweiss dan LHC, terkonsentrasi.

Tapi sebuah misteri panjang sudah lama ada. Pada skala galaksi individu seperti Bima Sakti kita, TM dingin memprediksi sejumlah besar galaksi satelit yang kental. Dan meskipun ada banyak dari mereka dalam kelompok lokal kami, tetapi masih tidak sebanyak yang dibutuhkan.

Carlos Frenk dari Durham University - dan huruf F dalam profil NFW diambil dari nama belakangnya - selama beberapa tahun terakhir, ia bekerja pada serangkaian simulasi TM dan pembentukan struktur yang sangat sensitif, menghasilkan hasil yang sangat penting.

Warm TM berfungsi! Galaksi kerdil di sekitar Bima Sakti tidak sepadat dan tidak sebanyak yang diminta oleh teori TM dingin, tetapi hasil simulasi TM hangat bertepatan dengan pengamatan!

Ini terutama mengejutkan karena kita dapat membandingkan efek HM dingin dan hangat dalam skala besar, di mana pengamatan kami telah lama sangat akurat.

Mereka sama! Dalam skala besar, HM dingin dan hangat memberikan hasil yang identik untuk cluster. Ini luar biasa, karena di sinilah teori kita paling cocok dengan pengamatan!

Dan pada skala yang lebih kecil?

Warm TM lebih baik. Tetapi jika TM yang hangat adalah jawaban untuk teka-teki astronomi kita, lalu apa artinya ini bagi fisika?

Ini berarti bahwa kita tidak akan menemukannya di tempat yang kita cari sekarang. Mungkin ini adalah neutrino steril; jenis neutrino keempat, tidak kawin dengan orang lain seperti yang biasa kita lakukan? Mungkin ini adalah jenis partikel baru yang belum pernah kita pikirkan sebelumnya? Mungkin ini sesuatu seperti axion, hanya terlahir bukan dingin (seperti yang diprediksi teori standar), atau panas (dalam bentuk peninggalan panas), tetapi hangat, berkat jenis interaksi atau pasangan baru?

Namun, sudah saatnya untuk membuka kembali pintu untuk TM hangat, daripada mengabaikan ide ini karena kurangnya partikel kandidat yang cocok. Gravitasi dan pembentukan struktur tidak terletak, jadi mari kita dengarkan apa yang mereka katakan!

Berapa suhu materi gelap?

More articles: