Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο «Physical Review Letters» αποκαλύπτει ένα νέο κατώτερο όριο για τη μάζα των εξαιρετικά ελαφριών φωτονικών σωματιδίων σκοτεινής ύλης.
Η σκοτεινή ύλη, που υπολογίζεται ότι αποτελεί περίπου το 85% της συνολικής ύλης στο σύμπαν, παραμένει αόρατη στις άμεσες παρατηρήσεις. Η ύπαρξή της αποδεικνύεται μόνο μέσω των βαρυτικών επιδράσεών της στις κοσμικές δομές.
Η φύση της σκοτεινής ύλης
Εξαιτίας αυτής της ιδιαιτερότητας, οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει να προσδιορίσουν τη φύση της σκοτεινής ύλης και κατ’ επέκταση τη μάζα της. Σύμφωνα με το τρέχον μοντέλο της κβαντομηχανικής, όλα τα θεμελιώδη σωματίδια ταξινομούνται είτε ως φερμιόνια είτε ως μποζόνια.
Προηγούμενες έρευνες έχουν καθορίσει το κατώτερο όριο της μάζας της σκοτεινής ύλης, αν είναι φερμιόνιο, χρησιμοποιώντας την «αρχή της απαγόρευσης του Pauli».
Η «αρχή της απαγόρευσης του Pauli» απαγορεύει σε δύο φερμιόνια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια) να καταλαμβάνουν ταυτόχρονα την ίδια κβαντική κατάσταση. Ωστόσο, αυτός ο περιορισμός δεν ισχύει για τα μποζόνια (φωτόνια, γλουόνια, σωματίδια Higgs).
Νέο κατώτερο όριο στη μάζα
Το «Phys.org» μίλησε με τον πρώτο συγγραφέα της μελέτης, Tim Zimmermann, υποψήφιο διδάκτορα στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Αστροφυσικής του Πανεπιστημίου του Όσλο.
Ο Zimmermann δήλωσε:
«Μέσα από την οπτική της αστροφυσικής, ένας παραγωγικός τρόπος να περιορίσουμε τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης είναι να εξάγουμε από τις παρατηρήσεις τι δεν είναι. Σε αυτήν τη δουλειά, καθορίζουμε ένα νέο θεμελιώδες όριο για τη μάζα του σωματιδίου της σκοτεινής ύλης, υποθέτοντας ότι ανήκει στην κατηγορία των εξαιρετικά ελαφριών μποζονίων».
Σύμφωνα με τη μελέτη τους, η μάζα της εξαιρετικά ελαφριάς φωτονικής σκοτεινής ύλης πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 2 × 10⁻²¹ ηλεκτρονιοβόλτ (eV), δηλαδή 100 φορές μεγαλύτερη από προηγούμενες εκτιμήσεις που βασίζονταν στην «αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg».
Κινηματικές παρατηρήσεις του Leo II
Η μέθοδος της ομάδας επικεντρώνεται στα δεδομένα του Leo II, ενός δορυφορικού γαλαξία του Γαλαξία μας. Πρόκειται για έναν νάνο γαλαξία 1.000 φορές μικρότερο από τον Γαλαξία.
«Αυτό που χρειαζόμαστε είναι ένα μόνο στιγμιότυπο της εμφάνισης του Leo II. Η ερμηνεία αυτού του στιγμιότυπου αποδεικνύεται αρκετά απλή, επειδή είναι ένας κοντινός γείτονας του Γαλαξία μας και, επομένως, δεν απαιτείται να μοντελοποιήσουμε επιπρόσθετα πράγματα, όπως η διαστολή του σύμπαντος», εξήγησε ο Zimmermann.
Μελετώντας την κίνηση των αστέρων εντός του Leo II, οι ερευνητές μπορούν να εξαγάγουν συμπεράσματα για το πώς κατανέμεται η σκοτεινή ύλη στον γαλαξία. Αυτό συμβαίνει γιατί οι κινήσεις των αστέρων καθορίζονται από τη βαρυτική επιρροή της συνολικής μάζας του γαλαξία, συμπεριλαμβανομένης της σκοτεινής ύλης.
«Χρησιμοποιούμε όλα όσα γνωρίζουμε για τον Leo II, ειδικά την εσωτερική του δομή. Προχωράμε ένα βήμα παραπέρα και επιλύουμε την εξίσωση του Schrödinger για να καθορίσουμε κάθε πιθανή κατάσταση στην οποία μπορεί να υπάρχει η σκοτεινή ύλη», ανέφερε ο Zimmermann.
Προφίλ πυκνότητας και θεμελίωση του νέου ορίου
Η ομάδα δημιούργησε 5.000 πιθανά προφίλ πυκνότητας σκοτεινής ύλης, συμβατά με τις παρατηρούμενες κινηματικές των άστρων στο Leo II. Για αυτό, χρησιμοποίησαν ένα εργαλείο δειγματοληψίας Markov-chain–Monte-Carlo με την ονομασία GRAVSPHERE, που επιλύει την εξίσωση του Jeans για να προσδιορίσει το προφίλ πυκνότητας της σκοτεινής ύλης.
Στη συνέχεια, συνέκριναν αυτά τα προφίλ που βασίζονται σε παρατηρήσεις με προφίλ πυκνότητας που δημιουργήθηκαν από κβαντικές κυματοσυναρτήσεις, οι οποίες αντιπροσωπεύουν τη σκοτεινή ύλη σε διάφορες πιθανές μάζες.
Θεμελίωση του κατώτερου ορίου και μικτή σκοτεινή ύλη
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι όταν το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης είναι υπερβολικά ελαφρύ (κάτω από 2.2 × 10⁻²¹ eV), οι κβαντικές κυματοσυναρτήσεις δεν μπορούν να αναπαραστήσουν την παρατηρούμενη κατανομή της σκοτεινής ύλης λόγω θεμελιωδών περιορισμών από την «αρχή της αβεβαιότητας».
Συμπεράσματα και μελλοντικές προοπτικές
Συγκριτικά με προηγούμενες μελέτες, οι ερευνητές βελτίωσαν το κατώτερο όριο για τη μάζα της σκοτεινής ύλης κατά δύο τάξεις μεγέθους. Τα ευρήματα έχουν σημαντικές επιπτώσεις για δημοφιλή μοντέλα υπερελαφριάς σκοτεινής ύλης, ιδιαίτερα το μοντέλο «fuzzy dark matter».
«Το fuzzy dark matter στα 10⁻²² eV ήταν ήδη υπό έντονη πίεση από ανεξάρτητες μελέτες πριν τη δική μας δουλειά», δήλωσε ο Zimmermann.
«Αυτό που άλλαξε είναι ότι μπορούμε πλέον να βγάλουμε αυτό το συμπέρασμα με περισσότερη σιγουριά». Οι ερευνητές σχεδιάζουν να επεκτείνουν την ανάλυση σε μοντέλα μικτής σκοτεινής ύλης, όπου η σκοτεινή ύλη δεν αποτελείται από ένα μόνο σωματίδιο αλλά από πολλαπλά σωματίδια με διαφορετικές μάζες.
«Η επέκταση της ανάλυσής μας σε αυτό το σενάριο, παρέχοντας ένα ισχυρό όριο για τη μικτή σκοτεινή ύλη που βασίζεται μόνο σε πληροφορίες του τοπικού σύμπαντος, είναι ένα φυσικό βήμα προς τα εμπρός».
Περισσότερες πληροφορίες:
Tim Zimmermann et al, Οι νάνοι γαλαξίες υπονοούν ότι η σκοτεινή ύλη είναι βαρύτερη από 2,2×10 −21 eV, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.151001
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης