Tamsiosios materijos paslėptas vaidmuo galaktikų evoliucijoje

Tamsiosios materijos įtaka galaktikų raidai

Galaktikos – tai sudėtingos kosminės struktūros, kurių sudėtingumas gerokai viršija matomų žvaigždžių įvairovę. Šio sudėtingumo centre slypi tamsioji materija – paslaptinga, nematoma substancija, lemianti lemiamą įtaką galaktikų formavimuisi ir evoliucijai. Net dar prieš pirmosioms žvaigždėms nušviečiant Visatą, tamsioji materija pradėjo telktis, savo gravitaciniu poveikiu traukdama paprastąją (barioninę) materiją. Šis procesas suformavo neregimą struktūrą – vadinamąjį „tamsiosios materijos halą“, kuris tapo pagrindu galaktikoms, tokioms kaip Paukščių Takas.

Šiuolaikiniai astronominiai tyrimai parodė, kad beveik kiekvieną galaktiką gaubia masyvūs tamsiosios materijos halai. Šie halai tęsiasi toliau nei galaktikos matomos ribos ir veikia kaip savotiški gravitaciniai inkariai, neleidžiantys žvaigždėms pabėgti į tarpžvaigždinę erdvę net ir esant dideliam jų judėjimo greičiui. Nuolatinė sąveika tarp tamsiosios ir paprastosios materijos lemia galaktikų dinamiką bei evoliuciją.

Iki neseniai dauguma mokslinių tyrimų daugiausia dėmesio skyrė tam, kaip tamsioji materija veikia paprastąją materiją. Tačiau naujausi darbai pradeda ieškoti atsakymo ir priešingai krypčiai: ar paprastoji materija, ypač žvaigždės bei dujos spiralinių galaktikų rankose, gali daryti įtaką pačiai tamsiajai materijai?

Tarpusavio šokis: spiralės ir tamsioji materija

Spiralinės galaktikos, kaip Paukščių Takas, iš karto atpažįstamos iš įspūdingų žvaigždžių bangų – spiralinių rankų. Nors spiralių raiža atrodo kaip grakšti žvaigždžių ir dujų banga, astronomai ją laiko slėgio bangomis arba „judėjimo spūstimis“ – zonomis, kuriose medžiaga laikinai susitelkia aplink galaktikos branduolį.

Naujausios modeliavimo simuliacijos atskleidžia įdomų reiškinį: virš galaktikos plokštumos ir po ja haluose gali egzistuoti „tamsiosios materijos spiralės“ – vaiduokliškos, nematomos atitikmenys šviesiųjų spiralių. Tyrėjai šias subtilias struktūras aptiko, nagrinėdami gravitacinius sūkurius, kuriuos sukuria matomos spiralės modeliuotose galaktikose. Menininkų iliustracijos įgalina įsivaizduoti šias tamsiosios materijos spiralines formas, gaubiančias mums pažįstamą galaktikos diską ir pažymėtas žaliai išryškintose Paukščių Tako išklotinėse.

Teorinis pagrindas šiam atradimui siekia 1943 metus, kai Nobelio premijos laureatas Subrahmanyanas Chandrasekharas aprašė „dinaminį trintį“. Astrofizikoje šis procesas reiškia, kad masyvus objektas, judėdamas tarp lengvesnių dalelių lauko, sukelia gravitacinį bangavimą – tai sukuria stabdantį poveikį, panašų į laivo sukeliamas bangas vandenyje. Ilgainiui šis efektas lemia, jog galaktikos palydovės ir žvaigždiniai objektai praranda greitį ir ima spirale artėti prie didesnio kūno – šis efektas stebimas ir Paukščių Tako sistemos palydovinėse galaktikose.

Barselonos universiteto doktorantas Marcelis Bernet, įkvėptas šių teorinių įžvalgų, iškėlė klausimą: ar ryškios, aplink galaktikos centrą besisukančios spiralės gali sukelti panašius gravitacinius sūkurius tamsiosios materijos haloje?

Simuliacijos atskleidžia tamsiosios materijos gravitacinius pėdsakus

Metodai ir mokslinis požiūris

Bernet ir jo komanda išnagrinėjo šį klausimą naudodami aukštos raiškos galaktikų evoliucijos simuliacijas – galingas priemones, leidžiančias tyrinėti tamsiosios materijos poveikį galaktikų raidai per milijardus metų. Šie virtualūs Visatos modeliai leidžia sekti žvaigždžių, dujų ir tamsiosios materijos sąveiką masteliuose, neįmanomuose realiame laike.

Simuliacijose begalė skaitmeninių dalelių atvaizduoja įvairius tikros galaktikos komponentus. Galaktikai vystantis, tyrėjai ieško stiprių tamsiosios materijos sukūrinių – spiralinių struktūrų, vos pastebimai atsiliekančių nuo matomų rankų tarsi paslėptos šešėliai.

Neįtikėtina, tačiau komanda šiuos tamsiosios materijos spiralinius pėdsakus aptiko keliuose nepriklausomuose modeliuose, kas įrodo, jog tai yra bendra spiralinių galaktikų savybė, o ne tik specifinio modelio rezultatas. Nors tamsiosios materijos spiralės gerokai blankesnės nei žvaigždžių, jos palieka išmatuojamą ženklą tamsiosios materijos dalelių judėjime.

Ekspertų įžvalgos ir mokslinės pasekmės

Senesni modeliai nuvertino atsiliepimą, kurį paprastoji materija gali turėti tamsiosios materijos struktūrai. Tačiau nauji tyrimai verčia peržiūrėti šį požiūrį. Kaip pažymi Rutgers universiteto astrofizikė Alyson Brooks – tyrime nedalyvavusi mokslininkė: „Ilgą laiką astronomai nuvertino dujų ir žvaigždžių poveikį tamsiajai materijai, o dėl to atsirado netikslumų galaktikų formavimosi modeliuose. Dabar aiškėja, kad įtraukus šias sąveikas mūsų modeliai geriau atitinka stebimas galaktikų savybes ir masių pasiskirstymą.“

Šis sudėtingas tamsiosios ir paprastosios materijos šokis gali turėti svarbių pasekmių galaktikų formavimosi teorijoms, spiralinių rankų palaikymui ir net tamsiosios materijos pasiskirstymui pačiuose galaktikos diskuose.

Tamsiosios materijos šešėlių paieškos Visatoje

Stebėjimo galimybės ir iššūkiai

Bernet teigia, kad būsimi apžvalginiai tyrimai galėtų aptikti šiuos tamsiuosius sūkurius detaliai matuojant tamsiosios materijos tankį per visą Paukščių Tako diską. „Šiuo metu tamsiosios materijos tankį ties Saulės sistema galime nustatyti labai tiksliai“, – sako Bernet. „Jei šiuos matavimus išplėsime visame galaktikos diske, turėtume atpažinti spiralinių sūkurių raštus, jei tik jie egzistuoja.“

Visgi tokių pėdsakų stebėjimas realioje Visatoje lieka labai sudėtingas – tamsioji materija nespinduliuoja, neabsorbuoja ir neatspindi šviesos, todėl tradiciniai teleskopai tiesiogiai jų nefiksuoja. Vietoj to, astronomai remiasi gravitaciniu poveikiu – kaip tamsioji materija nukreipia žvaigždžių judėjimą ar keičia dujų debesų trajektoriją.

Nepaisant šių sunkumų, šis atradimas atveria naujas kryptis tiek netiesioginiams detekcijos metodams, tiek laboratoriniams eksperimentams. Teorinės prognozės apie tamsiosios materijos sankaupas ties spiralėmis gali padėti tikslinti tamsiosios materijos tiesioginio aptikimo strategijas – siekiamybę, kurią mokslininkai puoselėja jau beveik šimtmetį.

Kaip pažymi Alyson Brooks, „Šie rezultatai svarbūs, nes pakeičia mūsų lūkesčius dėl to, kur galime aptikti tamsiosios materijos pėdsakus galaktikose. Tai gali lemti tamsiosios materijos tankio ties Saulės sistema perskaičiavimą ir įtakoti ateities detekcijos eksperimentų planavimą.“

Išvados

Spiralinių tamsiosios materijos šešėlių aptikimas, sekant švytinčias galaktikų rankas, žymi reikšmingą šuolį mūsų supratime apie galaktikų raidą ir tamsiosios materijos vaidmenį. Šie atradimai rodo, kad tamsioji materija – ne tik nematomas, statiškas karkasas, o aktyvus šio kosminio, gravitacinio šokio dalyvis. Ateities tyrimai, tiek stebimieji, tiek eksperimentiniai, gali netrukus atskleisti daugiau subtilių tamsiosios materijos pėdsakų ir kiek priartinti mus prie vieno iš svarbiausių astrofizikos tikslų – tiesioginio tamsiosios materijos aptikimo ir išsamaus visatos nematomos masės pažinimo.