Badanie śledzi ciemną materię za pomocą wodoru w lesie Lyman-Alfa, ujawniając napięcia między zaobserwowanymi danymi kosmicznymi a oczekiwaniami teoretycznymi, wskazując na nowe cząstki lub efekty czarnych dziur.
Ostre piki zaobserwowane na wykresie rozkładu długości fali lasu Lyman-Alfa rzeczywiście przypominają serię miniaturowych drzew. Każdy z tych szczytów reprezentuje nagły spadek „światła” na określonej i wąskiej długości fali, skutecznie odwzorowując materię, którą światło napotkało w swojej drodze do nas.
Zrozumienie spektrogramów i cieni kosmicznych
Przypomina to trochę lalkarstwo cieni, w którym na podstawie sylwetki odgadujemy postać umieszczoną pomiędzy światłem a ekranem. „Cień” cząsteczek wodoru zawieszony w ogromnych odległościach między nami a światłem rzucanym przez intensywne źródła światła jeszcze dalej jest dobrze rozpoznawany przez astrofizyków. Wykorzystywane obrazy nazywane są spektrogramami. Są to rozkłady promieniowania, które dla uproszczenia nazwiemy światłem, ale które obejmuje również częstotliwości, których nasze oczy nie widzą, na tworzące je pasma długości fal.
Rekonstrukcja artystyczna A fotonścieżkę przez gaz międzygalaktyczny. Źródło: UC Riverside
„To przypomina bardzo drobnoziarnistą tęczę” – wyjaśnia Simeon Bird, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside i jeden z autorów badania. Tęczę widzimy, gdy światło słoneczne przechodzi przez pryzmat (lub kroplę wody) i dzieli się na „składniki”, a zmieszane długości fal pojawiają się jako białe światło.
Na spektrogramach światła pochodzącego ze źródeł kosmicznych, takich jak kwazary, dzieje się to samo, tyle że prawie zawsze brakuje niektórych częstotliwości, co jest widoczne jako czarne pasma, gdzie światła nie ma, jakby coś rzuciło cień. Są to atomy i cząsteczki, które światło napotkało po drodze. Ponieważ każdy rodzaj atom mają specyficzny sposób pochłaniania światła, pozostawiając swego rodzaju sygnaturę na spektrogramie, możliwe jest prześledzenie ich obecności, zwłaszcza wodoru, najobficiej występującego pierwiastka we wszechświecie.
Rekonstrukcja ścieżki fotonu przez gaz międzygalaktyczny z odpowiednim spektrogramem. Źródło: UC Riverside
Śledzenie ciemnej materii za pomocą wodoru
„Wodór jest przydatny, ponieważ działa jak znacznik ciemnej materii” – wyjaśnia Bird. Ciemna materia to jedno z największych wyzwań stojących przed obecnymi badaniami Wszechświata: wciąż nie wiemy, co to jest i nigdy jej nie widzieliśmy, ale jesteśmy pewni, że istnieje w ogromnych ilościach – większych niż zwykła materia. Bird i jego współpracownicy wykorzystali wodór do pośredniego śledzenia tego zjawiska.
„To jak nakładanie barwnika na strumień wody: barwnik będzie podążał tam, gdzie płynie woda. Ciemna materia grawituje, więc ma potencjał grawitacyjny. Wpada do niego gazowy wodór, którego używasz jako wskaźnika ciemnej materii. Tam, gdzie jest ona bardziej gęsta, jest więcej ciemnej materii. Można myśleć o wodorze jak o barwniku, a o ciemnej materii jak o wodzie.”
Rozwiązanie kosmicznych napięć
Praca Birda i jego współpracowników to coś więcej niż tylko monitorowanie ciemnej materii. W obecnych badaniach kosmosu występują pewne tak zwane „napięcia”, czyli rozbieżności między obserwacjami a przewidywaniami teoretycznymi.
To jak otworzyć puszkę obranych pomidorów i znaleźć w środku szklane kulki: na podstawie twoich założeń na temat działania świata spodziewałbyś się jednego, ale, co zaskakujące, fakty ci przeczą. Twój zdrowy rozsądek jest odpowiednikiem teoretycznych modeli fizyki: prowadzą cię do przewidywań dotyczących zawartości, ale potem zaglądasz do puszki i jesteś oszołomiony.
Mogły się wydarzyć dwie rzeczy: masz problemy ze wzrokiem i rzeczywiście są to pomidory, albo Twoja baza wiedzy jest błędna (być może jesteś za granicą i błędnie przeczytałeś etykietę na puszce). Coś podobnego dzieje się w badaniach fizyki wszechświata. „Jednym z obecnych napięć jest liczba galaktyk w małych skalach i przy małych przesunięciach ku czerwieni” – wyjaśnia Bird. Wszechświat o niskim przesunięciu ku czerwieni to ten stosunkowo blisko nas.
„Obecne hipotezy wyjaśniające rozbieżności między obserwacjami a oczekiwaniami są dwie: że istnieje nigdy wcześniej nie widziana cząstka, o której nic nie wiemy, lub że coś dziwnego dzieje się z supermasywnymi czarnymi dziurami wewnątrz galaktyk. Czarne dziury w jakiś sposób hamują rozwój galaktyk, zakłócając w ten sposób nasze obliczenia struktury.”
Praca Birda i jego kolegów potwierdziła słuszność tego napięcia (więc rzeczywiście są to kulki, a nie pomidory). Zrobiło też coś więcej. „Znaczenie tego wykrycia jest wciąż dość małe, więc nie jest jeszcze całkowicie przekonujące. Jeśli jednak potwierdzi się to w późniejszych zbiorach danych, znacznie bardziej prawdopodobne jest, że będzie to nowa cząstka lub jakiś nowy rodzaj fizyki, a nie czarne dziury zakłócające nasze obliczenia” – podsumowuje Bird.
Odniesienie: „Kosmologiczne ograniczenia z lasu eBOSS Lyman-α przy użyciu symulacji PRIYA” MA Fernandez, Simeon Bird i Ming-Feng Ho, 17 lipca 2024 r., Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek.
DOI: 10.1088/1475-7516/2024/07/029
