Deşi reprezintă aproximativ 85% din masa totală a Universului, fizicienii încă nu ştiu ce este de fapt materia întunecată.

Cu toate acestea, o nouă ipoteză asupra materiei întunecate ar putea să-i ajute pe fizicieni să înţeleagă din ce este aceasta formată.

Pe scurt, fizicienii bănuiesc că materia întunecată prezintă două stări diferite. O stare reprezentată de  particulele fantomatice din cele mai mari structuri ale Universului și o stare ciudată, superfluidă, la o scară mai mică a Universului.

Mai mult, s-ar putea ca în curând să avem instrumentele necesare pentru a confirma această ipoteză.

Materia întunecată este o substanță ipotetică care a fost propusă cu aproape un secol în urmă pentru a explica dezechilibrul evident dintre cantitatea de materie din Univers și intensitatea câmpului gravitaţional care menţine stabilitatea galaxiilor şi legătura dintre acestea.

Chiar dacă nu putem detecta, în mod direct, materia întunecată, putem observa efectele sale. Astfel, modul cum se rotesc galaxiile și modul cum este deviată lumina în timp ce se deplasează prin Univers sugerează că există o materie obscură, diferită de materia obişnuită, pe care încă nu am reuşit să o observăm în mod direct.

Recent, doi fizicieni au propus o nouă ipoteză asupra materiei întunecate care ar putea explica de ce oamenii de ştiinţă nu au reuşit să confirme până în prezent existenţa materiei întunecate.

„Este o idee nouă. Se sugerează că există două forme diferite ale materiei întunecate, descrise de un singur lucru”, a declarat Tim Quat de la University of California, Irvine, care nu a fost implicat în studiu, pentru Quanta Magazine.

Concepţia actuală asupra materiei întunecate este aceea că aceasta este alcătuită din particule care interacționează slab, cum ar fi axionii, dar care sunt influențate de forța gravitațională, astfel încât efectul lor poate fi observat la o scară mare a Universului.

Această formă  „rece” a materiei întunecate poate fi utilizată pentru a prezice cum se vor comporta clusterele galactice și cum se integrează acestea în ceea ce se numeşte „pânza cosmică” a Universului.

Oamenii de știință au sugerat că toate galaxiile din Univers sunt conectate între ele într-o vastă rețea intergalactică formată din filamente invizibile de materie întunecată.

Cu toate acestea, atunci când fizicienii au analizat galaxiile individuale şi modul cum stelele din acestea se rotesc în raport cu centrul galactic, ei au constat că dacă utilizează această formă „rece” a materiei întunecate nu pot explica datele observaţionale.

„Cea mai mare parte a masei din Univers, care este reprezentată de materia întunecată, este separată de materia obișnuită. La o scară mare a Universului, acest lucru se potrivește bine cu observațiile astronomice.

De asemenea, această constatare concordă destul de bine cu ceea ce am observat în clusterele galactice, însă atunci când am analizat ce se întâmplă la nivelul galaxiilor am constatat că ceva nu se potrivește”, a explicat într-o declarație de presă fizicianul Justin Khoury de la University of Pennsylvania.

Khoury și colegul său, Lasha Berezhiani, în prezent la Princeton University, au sugerat că motivul pentru care nu se poate reconcilia comportamentul materiei întunecate, atât la o scară mare, cât şi la o scară mică a Universului, este acela că materia întunecată prezintă două stări diferite.

Cei doi fizicieni sugerează că, pe de o parte, există particulele „reci” ale materiei întunecate, specifice clusterelor galactice, iar pe de altă parte există o stare superfluidă a materiei întunecate care este specifică galaxiilor individuale.

Superfluidele sunt o formă de materie rece, densă, fără vâscozitate, care uneori poate deveni un condensat Bose-Einstein, numit uneori şi  „a cincea stare a materiei”.

Odată cu înţelegerea proprietăţilor remarcabile ale superfluidelor, tot mai mulți fizicieni consideră că acestea ar putea fi mult mai răspândite în Univers decât s-a crezut până în prezent.

„Recent, mai mulți fizicieni au arătat că există posibilitatea ca anumite faze superfluide să se formeze, în mod natural, în condițiile extreme ale spațiului cosmic.

Superfluidele ar putea exista în interiorul stelelor neutronice, iar unii cercetători au emis ipoteza că spațiu-timpul ar putea fi superfluid.

Şi atunci, de ce nu ar exista și o fază superfluidă a materiei întunecate?”, a explicat Jennifer Ouellette pentru Quanta Magazine.

Ideea este că „halourile” de materie întunecată, care există în jurul galaxiilor individuale, creează condițiile necesare pentru formarea unui superfluid, deoarece atracţia gravitațională a galaxiei asigură densitatea ridicată a acestuia, iar temperatura scăzută a spațiului cosmic menține superfluidul la o temperatură suficient de scăzută.

La o scară mai mare a Universului, devine evident că atracţia gravitațională devine mult prea slabă pentru formarea unui superfluid.

Practic, materia întunecată superfluidă ar putea explica comportamentul ciudat al unor galaxii individuale care nu poate fi înțeles doar pe baza gravitației şi ar putea genera, de asemenea, o forță secundară care acționează ca și gravitaţia în halourile de materie întunecată care înconjoară galaxiile.

Aşa cum explică Ouellette, atunci când variază un câmp electric, se generează unde radio, iar atunci când se modifică un câmp gravitațional se produc unde gravitaționale.

Unde gravitationale

Credit: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Ce se întâmplă atunci când perturbăm un superfluid? Vom obține fononi (unde sonore), iar această forță suplimentară se poate adăuga forţei gravitaţionale.

 „Este remarcabil că acum putem vorbi despre o forță suplimentară, care se adaugă forţei gravitaționale, și care este intrinsec legată de materia întunecată. Este o proprietate a materiei întunecate care provoacă apariţia acestei forțe”, a declarat Khoury.

Această ipoteză asupra materiei întunecate ar putea explica și teoria MOND (‘modified Newtonian dynamics’), o teorie care afirmă că este necesară o modificare a legilor lui Newton pentru a se ține cont de proprietățile specifice care au fost observate în interiorul galaxiilor.

„În galaxii există o mișcare superfluidă a materiei întunecate și acolo se aplică teoria MOND. În schimb, în clusterele de galaxii nu există o mișcare superfluidă a materiei întunecate şi teoria MOND nu se aplică”, au declarat Khoury și Berezhiani într-o declarație de presă.

Mai mult, Khoury și Berezhiani afirmă că vor propune modalități reale și verificabile prin care se pot confirma predicțiile lor pe baza ipotezei materiei întunecate superfluide.

Cercetarea fizicienilor este disponibilă online la arXiv.org.

Sursă: Science Alert