Para astronom menemukan hubungan baru antara materi gelap dan gumpalan alam semesta

Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan hari ini di Jurnal Kosmologi dan Fisika AstropartikelPara peneliti di University of Toronto telah mengungkapkan terobosan teoretis yang dapat menjelaskan sifat materi gelap yang tidak terlihat dan struktur skala besar alam semesta yang dikenal sebagai jaring kosmik. Hasilnya menetapkan hubungan baru antara dua masalah lama dalam astronomi, membuka kemungkinan baru untuk memahami alam semesta.

Penelitian menunjukkan bahwa “masalah penggumpalan”, yang berpusat pada distribusi materi yang merata secara tak terduga dalam skala besar di seluruh alam semesta, mungkin merupakan tanda bahwa materi gelap terdiri dari partikel ultralight hipotetis yang disebut axion. Implikasi pembuktian keberadaan sumbu yang sulit dideteksi jauh melampaui pemahaman materi gelap dan dapat menjawab pertanyaan mendasar tentang sifat alam semesta itu sendiri.

“Jika dikonfirmasi oleh pengamatan teleskop dan eksperimen laboratorium di masa depan, menemukan materi gelap axion akan menjadi salah satu penemuan terpenting abad ini,” kata penulis utama Keir Rogers, seorang peneliti Dunlap di Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics di College of Arts. dan Astrofisika. Sains di Universitas Toronto.

“Pada saat yang sama, hasil kami menunjukkan penjelasan mengapa alam semesta tidak segumpal yang kita duga, sebuah pengamatan yang menjadi lebih jelas selama dekade terakhir ini, dan saat ini membuat teori kita tentang alam semesta tidak pasti.”

Materi gelap, yang membentuk 85% massa alam semesta, tidak terlihat karena tidak berinteraksi dengan cahaya. Para ilmuwan mempelajari efek gravitasi pada materi yang terlihat untuk memahami bagaimana distribusinya di alam semesta.

Salah satu teori terkemuka mengusulkan bahwa materi gelap terbuat dari axion, yang dijelaskan dalam mekanika kuantum sebagai “kabur” karena perilakunya yang seperti gelombang. Tidak seperti partikel titik-seperti diskrit, axion dapat memiliki panjang gelombang lebih panjang dari seluruh galaksi. Ketidakjelasan ini memengaruhi komposisi dan distribusi materi gelap, yang mungkin menjelaskan mengapa alam semesta tidak segumpal yang diharapkan di alam semesta tanpa sumbu.

Kurangnya penggumpalan ini telah diamati dalam survei galaksi besar, menantang teori lain yang berlaku bahwa materi gelap hanya terdiri dari partikel subatomik berat yang berinteraksi lemah yang disebut WIMP. Terlepas dari eksperimen seperti Large Hadron Collider, tidak ada bukti yang ditemukan untuk mendukung keberadaan WIMP.

“Dalam sains, ketika ide terurai, penemuan baru dibuat dan masalah lama dipecahkan,” kata Rogers.

Untuk penelitian ini, tim peneliti — dipimpin oleh Rogers, dan termasuk anggota kelompok penelitian Associate Professor Renee Hluczek di Dunlap Institute, serta dari University of Pennsylvania, Institute for Advanced Study, Columbia University dan King’s College London — menganalisis pengamatan cahaya sisa dari Big Bang, atau dikenal sebagai latar belakang Gelombang Mikro Kosmis (CMB), yang diperoleh dari survei Planck 2018 dan Kosmologi Atacama dan Teleskop Kutub Selatan.

Para peneliti membandingkan data CMB ini dengan data gugus galaksi dari Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), yang memetakan lokasi hampir satu juta galaksi di alam semesta terdekat. Dengan mempelajari distribusi galaksi, yang mencerminkan perilaku materi gelap di bawah gaya gravitasi, mereka mengukur fluktuasi jumlah materi di seluruh alam semesta dan mengonfirmasi massanya yang lebih rendah dibandingkan prediksi.

Para peneliti kemudian menjalankan simulasi komputer untuk memprediksi kemunculan sisa cahaya dan distribusi galaksi di alam semesta dengan panjang gelombang panjang materi gelap. Kalkulasi ini selaras dengan data CMB dari Big Bang dan data pengelompokan galaksi, mendukung gagasan bahwa sumbu fuzzy dapat menjelaskan masalah pengelompokan.

Penelitian di masa depan akan mencakup survei skala besar untuk memetakan jutaan galaksi dan memberikan pengukuran pengelompokan yang akurat, termasuk pengamatan selama dekade berikutnya dengan Observatorium Rubin.

Para peneliti berharap untuk membandingkan teori mereka dengan pengamatan langsung materi gelap melalui pelensaan gravitasi, sebuah efek di mana aglomerasi materi gelap diukur dengan bagaimana cahaya dari galaksi jauh dibelokkan, mirip dengan kaca pembesar raksasa. Mereka juga berencana untuk menyelidiki bagaimana galaksi mengeluarkan gas ke luar angkasa dan bagaimana hal ini mempengaruhi distribusi materi gelap untuk lebih mengkonfirmasi temuan mereka.

Memahami sifat materi gelap adalah salah satu pertanyaan mendasar yang paling mendesak dan kunci untuk memahami asal usul dan masa depan alam semesta.

Saat ini, para ilmuwan tidak memiliki satu teori pun yang akan menjelaskan gravitasi dan mekanika kuantum secara bersamaan – teori segalanya. Teori segala sesuatu yang paling populer selama beberapa dekade terakhir adalah teori string, yang mengemukakan tingkat kuantum lain yang lebih rendah, di mana segala sesuatu terdiri dari eksitasi energi seperti string. Menurut Rogers, penemuan partikel aksial misterius bisa menjadi petunjuk bahwa teori string semuanya benar.

“Kami sekarang memiliki alat yang, bahkan dalam dekade berikutnya, akhirnya dapat memungkinkan kami untuk memahami sesuatu secara empiris tentang misteri materi gelap berusia seabad – dan itu dapat memberi kami petunjuk jawaban tentang pertanyaan teoretis yang lebih besar,” kata Rogers. . “Harapannya adalah bahwa unsur-unsur alam semesta yang membingungkan dapat dipecahkan.”