A sötét anyag nem csomósodik, de miért?

[dgy]

Tudjuk, hogy a sötét anyag csomósodik!

Az egész Univerzumra nézve a sötét anyag/atomos anyag arány kb 6,5 - egy galaxisban kb 10, egy galaxishalmazban kb 100. Tehát a sötét anyag nem egyenletesen oszlik el az egész Világegyetemben, hanem ritkább és sűrűbb tarományok váltják egymást.

Rigelnek akár igaza is lehetne a sűrűsődés mechanizmusát illetően, azaz hogy a normál anyag kondenzálja maga köré a sötét anyagot, de ennek két alaptény mond ellent:

- a normál anyag jóval kisebb mennyiségű, mint a sötét, így a vonzása nem lenne erre elegendő,

- a kétféle anyag nem ugyanakkor kezdett koncentrálódni.

A normál anyag a Nagy Bumm után 380 000 évvel bekövetkezett lecsatolódásig plazmaállapotban volt. A plazma nem képes gravitációs csomósodásra, az instabilitás miatti spontán sűrűsödéseket és ritkulásokat kisimítják a plazma rezgései. Ezért a normál anyag csak a sugárzás lecsatolódása és az atomok létrejötte után vált gravitációsan instabillá: a spontán fluktuációk nőni kezdtek, a sűrűsödések gravitációs hatása újabb anyagot vonzott magához, a ritkább helyekről pedig elvonzotta a gázt. Így végül kicsiny sűrű és nagy ritka tartományok jöttek létre. Ez a galaxisképződés régóta feltételezett mechanizmusa. Igen ám, de amikor részletesen utánaszámoltak, kiderült, hogy a spontán fluktuációk felnövekedésének karakterisztikus ideje 100-1000 milliárd év - viszont az Univerzum még csak 13,8 milliárd éves. Tehát az elmélet szerint még nem lehetnének galaxisok!

A megoldás az, hogy a lecsatolódás pillanatában már készen álltak azok a gravitációs csapdák, amik magukhoz vonzották a frissen létrejött atomos anyagot, így annak nem kellett megvárnia a saját magában véletlenszerűen kialakuló sűrűbb és ritkább tartományok felnövekedését. Ilyen csapdák olyan anyagból jöhettek létre, amely nem volt plazmaállapotú. Pl azért, mert eleve elektromosan semleges részecskékből áll, nem hat kölcsön az elektromágneses mezővel, nem nyel el és nem bocsát ki fényt - azaz sötét. Pontosabban szólva láthatatlan. Ez a "sötét anyag".

Kérdés, hogy milyen szerkezetűek ezek a csapdák, amik a sötét anyag gravitációs kondenzációjával keletkeztek. Nem olyanok, mint az atomos anyag csomói! Az utóbbiak gömbölyűek, a sötét struktúrák pókhálószerűek.

Amikor egy gömbölyű gázfelhőt összehúz a gravitáció, az végig gömbölyű marad - minden irányból egyforma vonzóerő hat rá. Egy elliptikus gázfelhő azonban egyre laposabb lesz: a rövidebb tengely mentén közelebb vannak egymáshoz a részecskék, nagyobb vonzóerő hat, ezért gyorsabb az összeesés. Így jönnek létre "Zeldovics palacsintái". Ez a tipikus eset, mert kicsi a valószínűsége, hogy egy kialakuló gázfelhő szabályosan gömbölyű legyen.

A csillagok mégsem palacsinták. Ennek oka az, hogy a sűrűsödő gáz belső nyomása (ami a részecskék ütközéséből és a felforrósodó gázban a hősugárzás sugárnyomásából származik) megakadályozza az anizotróp összehúzódást: a palacsinta laposabb része "megvárja" a távolabbi gázrészek beesését.

A sötét anyagban a részecskék intenzív kölcsönhatásának hiányában ilyen mechanizmus nem lép fel, ezért a végeredmény lapos, fátyolszerű alakzat. Két ilyen fátyol avagy palacsinta metszésénél pedig egy hosszú, kanyargós szál jön létre, ahol még nagyobb az anyagsűrűség.

Zeldovics pontosan megadta a kritériumokat, amik az ilyen szerkezet kialakulásához kellenek. Nem szükséges a belső kölcsönhatások teljes hiánya, de egy kritikus értéknél gyengébbnek kell lennie.

Nem szabad elfelejteni, hogy e folyamat közben az Univerzum tágul. Ez a kialakuló háló tehát egyre nagyobb szemű lesz, miközben a szálak egyre vékonyodnak és sűrűsödnek. A szerkezet geometriáját egyrészt az Univerzum tágulásának forgatókönyve, másrészt a sötét anyag paraméterei (kezdeti sűrűsége, a részecskék tömege, a köztük fellépő kölcsönhatás erőssége, az energiaelvitel mechanizmusa) szabja meg.

Amikor a normál, barionos anyag plazmaállapotúból atomossá válik, a sötét anyagnak ez a szálas szerkezete már készen áll. Az atomos anyag erre "csapódik le", mint páracseppek a pókhálóra. Utána már ezeknek a szálaknak a belsejében fragmentálódik tovább, szakad galaxishalmazokra, galaxisokra, csillagokra.

Az Univerzum nagyléptékű szerkezetének feltérképezése valóban ilyen pókhálószerű filamentumokba rendeződött galaxishalmazokat talált. A SLOAN égboltfelmérés netre kitett anyagában szabadon kóborolhatunk az Univerzum milliárd fényéves méretű pókháló-szálai között.

Tudjuk, hogy ma mekkorák a háló szemei, és milyen a szálak belsejében a galaxisok eloszlása. Tudjuk, hogy kb 1 milliárd évvel a Nagy Bumm után már léteztek az első galaxisok. Tudjuk, hogy a sötét hálónak az atomok létrejöttekor, 380 ezer évvel a Bumm után már készen kellett állnia. Ezek az adatok keretfeltételeket adnak a fent leírt folyamatokat követő szimulációknak. Így tudjuk korlátok közé szorítani a sötét anyag részecskéinek még nem ismert tulajdonságait.

Az első jelöltek a neutrínók voltak (a hetvenes évek második felében). Az ő adataikat, kölcsönhatásaikat, tömegük lehetséges nagyságát viszonylag jól ismerjük - de ebből kiindulva nem lehetett rekonstruálni a pókháló hálószemeinek észlelt méretét. Ezért más, hasonló, gyengén kölcsönható, de tömeges részecskéket tételeznek fel (WIMP _ weakly interacting massive particle), amelyek a sötét anyag alkotórészei lehetnek.

Ma még több lehetséges modell van versenyben. Az egyik szerint a sötét anyag is strukturált, sokféle részecskéből áll, sokféle kölcsönhatással. Van egy legkönnyebb sötét részecske (a "sötét foton"), a gravitációs kondenzáció során ő viszi el a felesleges energiát. De ez a folyamat mégsem lehet a normál anyag csillaggá kondenzálódásának a tökéletes mása, hiszen akkor itt is gömbölyű objektumok keletkeznének. Teljesíteni kell Zeldovics kritériumait, ezért a "sötét foton" és a többi sötét részecske kölcsönhatása nem lehet akármilyen.

Egy másik modellben egyáltalán nincs kölcsönhatás a sötét részecskék között - a felesleges energiát a gravitációs hullámok viszik el. A gravitáció viszont túl gyenge, ez a folyamat nem zajlott volna le az atomos anyag létrejötte előtti pár százezer évben. Kivéve, ha nagyon korán kezdődik, amikor az anyag még elég sűrű, ezért a gravitációs hatások erősek voltak. Ezt viszont nehéz megmagyarázni, illetve mesterkélt feltevésekkel kell élni arra vonatkozóan, hogyan, mikor, miből és milyen mennyiségben keletkeztek a sötét anyag részecskéi.

Vannak olyan modellek, amelyekben a sötét és a normál részecskék kölcsönösen átalakulhatnak egymásba. Ezek a legrealisztikusabbak, abból a szemszögből, hogy a részecskefizika eddigi története azt tanítja: minden részecske átalakulhat bármely másikba (kellően sok lépésben, megfelelő idő alatt). Az ilyen modellek adnak reményt arra, hogy a földi gyorsítókban vagy egyszerű magfizikai folyamatokban keressük a sötét részecskék nyomát, valamint újabb kozmikus detektálási lehetőséget is ajánlanak: a távoli galaxisokból érkező fotonok útjuk során átalakulhatnak sötét fotonokká, avagy szóródhatnak a sötét anyagon stb.

Az a remény, hogy e földi és égi folyamatok alapos megfigyelése, valamint a mostanában kezdődő új, hiperprecíz égboltfelmérési projektek (amelyek az égi objektumok elhelyezkedésének és mozgásának pontos leírásával egyben a sötét anyag eloszlásának feltérképezését is megvalósítják) lehetővé teszik a szimulációk egyre pontosabb lefuttatását, ezzel a hozzájuk szükséges alapparaméterek pontosabb meghatározását. Ezek a paraméterek pedig nem mások, mint a sötét anyag részecskefajtáinak száma, az egyes részecskék tömege, egymással és a normál anyaggal való kölcsönhatásainak erőssége stb.

Így tehát - a rovat címével ellentétben - a sötét anyag igenis sűrűsödik, és e sűrűsödések pontos kimérése, elemzése és szimulációja vezethet majd el a sötét anyag természetének végleges feltárásához.

dgy

[dgy]

[Luci]

Üdv mindenkinek!
Új mérés, új elmélet?
http://kids.strw.leidenuniv.nl/pr_dec2016.php
http://www.origo.hu/tudomany/20161209-u ... terol.html

[Zsolt68]

Ne nevessetek ki! A részecskékről mindenki úgy gondolja, hogy mikroszkóppal kell nézni őket, mert olyan kicsik.
Nem lehetséges, hogy az általunk ismerteknél nagyságrendekkel nagyobb tömegűek is létezhetnek?
Szerencsétlen esetben akár az egész univerzum tömege egyetlen hatalmas elemi részecskévé is alakulhatott volna az ősrobbanáskor...

[G.Á]