Mörk materia, det osynliga materialet som utgör den stora majoriteten av universums massa, kan samlas till atomer, visar nya simuleringar. Dessa "mörka atomer" kan radikalt förändra galaxernas utveckling och bildandet av stjärnor, vilket ger astronomer en ny möjlighet att förstå detta mystiska ämne.
Mörk materia utgör mer än 80 % av massan av varje galax och galaxhop i universum. Alla våra observationer tyder på att mörk materia är någon ny sorts partikel som inte interagerar med vanlig materia eller ens med ljus. Vi kan bara identifiera mörk materia genom dess gravitationsinteraktion med allt annat. Vad mörk materia än är, ligger det bortom vår moderna förståelse av fysik. Men den har fortfarande massa, och därför gravitation.
Vi vet ännu inte om mörk materia är enkel eller komplex. Den kan bestå av endast en typ av partikel som dominerar universum och knappast interagerar ens med sig själv. Eller så kan den bestå av flera typer av partiklar, med samma rika variation som vi ser i vanlig materia. Dessutom känner vi bara till fyra grundläggande naturkrafter: gravitation, elektromagnetism, den starka kärnväxelverkan och den svaga kärnväxelverkan. Men det kan finnas ytterligare krafter som bara verkar bland mörk materia partiklar och inte påverkar normal materia alls.
Konceptet med ytterligare mörk materia partiklar och mörka krafter är inte så långsökt som det kan verka. Vår förståelse av fysik bygger på symmetrier, som är djupa matematiska samband mellan partiklar. Det är möjligt att det finns ytterligare symmetrier i naturlagarna som gör mörk materia till en motsvarighet till normal materia, och att det för varje sorts interaktion som normal materia kan ägna sig åt finns en motsvarighet i den mörka sektorn.
Till exempel kan vi från vanlig materia bygga enkla atomer: en proton och en elektron, kopplade till varandra, med en foton, bäraren av den elektromagnetiska kraften, som förmedlar interaktionen. Vi kan också ha en version av samma mörka materiastruktur, med en mörk proton bunden till mörka elektroner av mörka fotoner: mörka atomer.
Atomisk mörk materia skulle bete sig mycket annorlunda än mörk materia som bara består av en partikel. Viktigast av allt skulle det vara mycket svårt för enkel mörk materia att klumpa ihop sig, och det skulle göra det långsamt, under hundratals miljoner år. Vanlig materia samlas i dessa släta klumpar av mörk materia för att bilda galaxer, men de lever annars separata liv. Atomisk mörk materia kan dock bilda sina egna skugggalaxer – skivliknande strukturer som efterliknar storleken och placeringen av synliga galaxer.
Ett team av astrofysiker använde denna spännande möjlighet för att modellera galaxernas utveckling och se vilka observerade skillnader som kan uppstå. De tillät atomär mörk materia att utvecklas enligt sina egna krafter och undersökte sedan hur dessa nya strukturer skulle påverka synliga galaxer genom den nya tyngdkraftsorganisationen. De publicerade sina resultat i en förtrycksdatabas online i april arXiv.
Forskarna fann att även en liten mängd atomär mörk materia - bara 6% av all mörk materia i universum, inte inklusive resten - är tillräckligt för att radikalt förändra galaxernas utveckling. Eftersom atomär mörk materia kan interagera, kan den lätt kondensera och förlora energi genom utsläpp av någon form av mörk strålning. Simuleringar visade att en "mörk skiva" snabbt dyker upp inuti varje galax, vars spinn stämmer överens med spinn av de synliga, normala komponenterna.
Därifrån fortsatte atomär mörk materia att kondensera, precis som normal gas kondenseras till moln och så småningom stjärnor. I simuleringen bildade atomär mörk materia sina egna mörka stjärnor och kunde till och med få sina egna svarta hål att bildas. Dessa klumpar sjönk sedan ner i den galaktiska kärnan, där densiteten ökade.
På grund av denna extra gravitation accelereras stjärnbildningen i galaxernas kärnor, vilket bildar stjärnor mycket snabbare än galaxer med enkel mörk materia. Dessa simuleringar uteslöt faktiskt vissa modeller av atomär mörk materia eftersom dessa modeller gjorde att deras galaxer fick slut på nytt stjärnbildande material för snabbt.
Men vissa modeller har överlevt de nuvarande gränserna för observationer, vilket möjliggör ytterligare möjligheten till existensen av atomär mörk materia. Forskarna hoppas att ytterligare teoretiska och experimentella studier ska belysa rimligheten i denna spännande form av exotisk materia. Till exempel, eftersom atomär mörk materia kondenserar så effektivt, kan vi kanske upptäcka täta stjärnliknande klumpar med framtida gravitationsmikrolinsstudier med hjälp av NASA:s Nancy Grace Space Telescope i Rom.
Läs också: