Un supercluster îndepărtat de galaxii sugerează existența materiei întunecate cu autointeracțiune
La șapte miliarde de ani-lumină de Pământ se află un cluster neobișnuit de galaxii, format din două regiuni aflate în proces de coliziune, cu o masă combinată de peste două cvadrilioane de mase solare. Datorită dimensiunilor sale, a fost poreclit El Gordo („Cel Gras”). Ceea ce îl face ieșit din comun este faptul că este extrem de mare pentru perioada universului în care se află.
El Gordo este atât de surprinzător încât unii astronomi îl consideră un contraexemplu la modelul standard al cosmologiei. Este dificil de explicat cum materia întunecată rece, într-un univers inflaționist, ar fi putut genera atât de rapid un supercluster atât de mare. Un studiu recent analizează modul în care materia întunecată cu autointeracțiune ar putea explica acest lucru.
Materia întunecată constituie cea mai mare parte a masei din cosmos. Ea nu interacționează puternic cu lumina, dacă interacționează deloc, și nici cu materia obișnuită, deoarece majoritatea interacțiunilor materiei obișnuite sunt de natură electromagnetică. Una dintre întrebările-cheie este dacă materia întunecată poate interacționa puternic cu ea însăși.
Viziunea cea mai răspândită este că materia întunecată nu are autointeracțiune, deoarece observațiile arată că este în mare parte „rece”, adică particulele sale nu au o energie cinetică mare. Dacă particulele de materie întunecată s-ar putea ciocni între ele, ele ar rămâne „calde”, la fel cum materia obișnuită se încălzește atunci când se ciocnește.
Materia întunecată cu autointeracțiune (SIDM) ar putea crea un supercluster timpuriu precum El Gordo, dar ar produce și o cantitate mare de materie întunecată caldă. Pentru a depăși această problemă, noul studiu propune o interacțiune a materiei întunecate cu două stări.
Materia obișnuită interacționează în principal prin ciocniri elastice: moleculele de aer dintr-o încăpere se lovesc între ele fără a pierde prea multă energie, ceea ce permite menținerea unei temperaturi constante. Dacă ciocnirile ar fi inelastice, pierzând energie la fiecare lovitură, încăperea s-ar răci rapid. Majoritatea modelelor SIDM presupun o interacțiune elastică similară, iar ajustarea fină a acestei interacțiuni poate accelera gruparea galactică fără a încălzi excesiv materia întunecată. Rezultatele acestei abordări au fost mixte.
Studiul, publicat în The Astrophysical Journal, analizează un model de materie întunecată cu o stare fundamentală și o stare excitată. În acest model cu două stări, majoritatea interacțiunilor ar fi elastice, ca în cazul materiei obișnuite, însă, cu energia potrivită, o ciocnire ar putea trece o particulă de materie întunecată într-o stare excitată, eliminând astfel energie cinetică din ciocnire. Particulele de materie întunecată pot astfel să se grupeze și, în același timp, să se răcească.
Pe baza simulărilor N-body ale regiunilor în coliziune din El Gordo, un model SIDM cu două stări, care include atât ciocniri elastice, cât și inelastice, se potrivește cel mai bine cu observațiile. Acesta oferă o potrivire mai bună decât atât interacțiunile inexistente, cât și cele pur elastice.
Problema este că există încă o incertitudine considerabilă privind masa exactă a lui El Gordo și viteza cu care cele două regiuni se ciocnesc. Dacă superclusterul se află la limita inferioară a acestui interval, modelul cu două stări nu s-ar potrivi cu datele. Prin urmare, este vorba despre o soluție posibilă, nu una definitivă. Până când particulele de materie întunecată nu vor fi observate direct, toate posibilitățile rămân deschise, iar acest studiu arată că materia întunecată ar putea fi mai complexă decât s-a crezut.
