Wystrzelony w 2022 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) zrewolucjonizował nasze rozumienie wczesnego Wszechświata. Jednak jedna z największych tajemnic kosmologii – natura ciemnej materii – pozostaje nierozwiązana. Nowe badania sugerują, że JWST może wkrótce dokonać przełomu, nie poprzez bezpośrednią obserwację ciemnej materii (która nie oddziałuje ze światłem), ale poprzez identyfikację jej sygnatur grawitacyjnych w postaci starożytnych galaktyk.
Szacuje się, że ciemna materia stanowi 85% całej materii we Wszechświecie. Problem polega na tym, że nie emituje, nie absorbuje ani nie odbija światła, co uniemożliwia bezpośrednie wykrycie. Naukowcy wiedzą o jego istnieniu dzięki grawitacyjnemu wpływowi na widzialną materię i światło. Oznacza to, że ciemna materia nie składa się ze zwykłych protonów, neutronów i elektronów. Pomimo dziesięcioleci poszukiwań hipotetyczne cząstki ciemnej materii pozostają nieuchwytne.
Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy sugeruje, że grawitacyjny wpływ ciemnej materii może wyjaśniać nieoczekiwanie wydłużone kształty niektórych młodych galaktyk. Tradycyjnie symulacje sugerują, że galaktyki powstają w wyniku gromadzenia się gazu wzdłuż włókien ciemnej materii, w wyniku czego powstają struktury kuliste. Jednak JWST coraz częściej obserwuje włókniste, wydłużone galaktyki we wczesnym Wszechświecie, które nie pasują dobrze do tego modelu.
Naukowcy pod kierownictwem Alvaro Pozo z Międzynarodowego Centrum Fizyki Donastia przetestowali symulacje z różnymi rodzajami ciemnej materii. Odkryli, że „puszysta ciemna materia” (ultralekkie cząstki o zachowaniu przypominającym fale) lub „ciepła ciemna materia” (szybciej poruszające się cząstki) mogą wyjaśniać te dziwne kształty.
„Jeśli ultralekkie cząstki aksjonowe stanowią ciemną materię, ich zachowanie przypominające fale kwantowe zapobiegłoby przez pewien czas tworzeniu się skal fizycznych mniejszych niż kilka lat świetlnych, sprzyjając gładkiemu zachowaniu włókien, które JWST obserwuje teraz z bardzo dużych odległości” – wyjaśnił Pozo.
Kluczową kwestią jest to, że te alternatywne modele ciemnej materii wytwarzają gładsze włókna niż standardowy model Lambda zimnej ciemnej materii (LCDM). Gaz i gwiazdy poruszają się wzdłuż tych włókien, tworząc wydłużone galaktyki. JWST będzie w dalszym ciągu skanować te wczesne galaktyki, w miarę jak naukowcy udoskonalają symulacje. Połączenie tych obserwacji z modelowaniem teoretycznym może ostatecznie pomóc w rozwikłaniu tajemnicy ciemnej materii.
To kluczowy krok, ponieważ zrozumienie ciemnej materii nie polega tylko na uzupełnieniu naszego obrazu kosmologicznego, ale także na odkryciu podstawowych elementów składowych Wszechświata. Zdolność JWST do obserwacji wczesnego Wszechświata z niespotykaną dotąd klarownością daje większą niż kiedykolwiek nadzieję na rozwiązanie tej zagadki sprzed kilkudziesięciu lat.
