Naujas ankstyvosios Visatos tyrimas, atliktas Lenkijos Nacionaliniame branduolinių tyrimų centre, rodo, kad gali egzistuoti sąveika tarp dviejų pačių paslaptingiausių kosmoso sudedamųjų dalių.
Kosmologams sujungus įvairių tipų stebėjimus paaiškėjo, kad matomą Visatą lengviau paaiškinti darant prielaidą, jog neutrinai – vadinamosios „vaiduokliškosios dalelės“ – silpnai sąveikauja su tamsiąja materija.
Analizės rezultatai pasiekia vadinamąjį trijų sigmų patikimumo lygį. Tai reiškia, kad signalas dar nėra pakankamai stiprus galutiniam įrodymui, tačiau jis taip pat yra pernelyg ryškus, kad būtų laikomas vien statistiniu triukšmu ar atsitiktine užuomina.
Šis atradimas gali atverti kelią nedideliam standartinio kosmologinio modelio praplėtimui: leisti atsisakyti prielaidos, jog tamsioji materija visiškai nesusiduria su niekuo (yra „bekoliozinė“), ir įtraukti labai silpną sklaidą tarp neutrinų ir tamsiosios materijos.
Neutrinai ir tamsioji materija yra dvi Visatos sudedamosios dalys, kurios beveik nesąveikauja su įprastąja, mums pažįstama medžiaga.
Neutrinai yra vienos gausiausių Visatos dalelių. Jie susidaro didžiuliais kiekiais itin energinguose procesuose, pavyzdžiui, supernovų sprogimuose ar branduolinės sintezės reakcijose žvaigždžių gelmėse, todėl jų tiesiog pilna visur.
Vis dėlto neutrinai neturi elektrinio krūvio, jų masė yra ypatingai maža, o sąveika su kitomis dalelėmis – labai silpna. Šiuo metu per jūsų kūną skrenda šimtai milijardų neutrinų. Kartais kuris nors iš jų vis dėlto atsitrenkia į kitą dalelę ir sukuria skilimo produktų bei fotonų „liūtį“, kurią galime užfiksuoti tik pasitelkę itin jautrią, dažnai požeminę, detekavimo įrangą.
Tamsioji materija, priešingai, regis, apskritai nesąveikauja su įprastąja medžiaga, išskyrus gravitacinę trauką. Stipriausi šios nematomos medžiagos egzistavimo įrodymai gaunami iš gravitacinių efektų – galaktikų sukimąsi lemiančio papildomo „svorio“ bei erdvėlaikio iškraipymų, kurių neįmanoma paaiškinti vien įprastąja materija. Šie efektai rodo, kad maždaug 85 procentus visos Visatos materijos sudaro nematoma tamsioji materija.
Mintis, jog šios dvi itin sunkiai aptinkamos „substancijos“ gali sąveikauti tarpusavyje, nėra nauja – teoriniai darbai šia tema publikuojami nuo pat 2000-ųjų pradžios.
Pastaraisiais metais mokslininkai paskelbė keletą darbų, kuriuose atsargiai užsimenama apie galimą neutrinų ir tamsiosios materijos sąveiką. Naujausias tyrimas, kuriam vadovavo fizikas Lei Zu, darbą atlikęs Lenkijos Nacionaliniame branduolinių tyrimų centre ir dabar dirbantis Japonijos nacionalinėje astronomijos observatorijoje, siekė išplėsti šias idėjas už teorinių modelių ribų ir pamėginti spręsti vieną didžiausių šiuolaikinės kosmologijos problemų.
Ši problema išryškėja, kai ankstyvosios Visatos „nuotraukas“ – kosminį mikrobangį foną (CMB) ir barionines akustines osciliacijas (BAO) – palyginame su dabartine Visatos būkle.
Kosminis mikrobangis fonas – tai pirmosios Visatoje laisvai sklindančios šviesos „atgarsis“, susiformavęs maždaug po 380 000 metų nuo Didžiojo sprogimo. BAO – tai didelio mastelio struktūros, likusios iš ankstyvojoje Visatoje sklindusių garso bangų, kurios „įšalo“ tada, kai terpė, kuria jos sklidavo, tapo pernelyg reta tolimesniam svyravimui palaikyti.
Jeigu, remdamiesi standartiniu kosmologiniu modeliu, išplėstume CMB ir BAO duomenis iki dabartinio – maždaug 13,8 milijardo metų – Visatos amžiaus, gautume gerokai „gumbuotesnę“, labiau susitelkusią Visatą, nei stebime iš tikrųjų.
„Šis neatitikimas nereiškia, kad standartinis kosmologinis modelis yra neteisingas, tačiau jis gali būti neužbaigtas“, – aiškina kosmologė Eleonora Di Valentino iš Šefildo universiteto Jungtinėje Karalystėje. „Mūsų tyrimas rodo, kad sąveikos tarp tamsiosios materijos ir neutrinų gali padėti paaiškinti šį skirtumą ir suteikti naujų įžvalgų apie tai, kaip formavosi Visatos struktūra.“
Tyrėjai parengė vieną iš iki šiol išsamiausių bendrų duomenų rinkinių, skirtų neutrinų ir tamsiosios materijos sąveikai tirti ankstyvojoje ir vėlyvojoje Visatoje. Jie panaudojo dvejus skirtingus CMB stebėjimus, tris BAO duomenų rinkinius ir tęsiamo Tamsiosios energijos apžvalginio tyrimo duomenis, kuriuose žvaigždėto dangaus žemėlapiai pasitelkiami tamsiosios medžiagos bei tamsiosios energijos pasiskirstymui nustatyti.
Tuomet kiekvienam CMB ir BAO duomenų rinkiniui atskirai, o vėliau ir juos sujungę, mokslininkai atliko kosmologines simuliacijas. Į modelius jie įtraukė papildomą elementą – neutrinų ir tamsiosios materijos sklaidos sąveiką.
Paaiškėjo, kad atskiri duomenų rinkiniai šiek tiek palankiau „rinkosi“ scenarijų su sąveika – tokiu atveju simuliuota Visata labiau priminė tą, kurią stebime šiandien, nei modeliuose be sąveikos. Tačiau sujungus visus duomenis išryškėjo kur kas stipresnė preferencija sąveikai – pasiektas trijų sigmų patikimumo lygis.
Tokio lygio rezultatas dar toli gražu nėra galutinis įrodymas, tačiau jis dera su ankstesniais darbais ir yra pakankamai stiprus, kad pateisintų tolesnius tyrimus.
„Jei ši tamsiosios materijos ir neutrinų sąveika bus patvirtinta, tai būtų esminis lūžis“, – teigia teorinės fizikos ir kosmologijos specialistas Williamas Giarè iš Havajų universiteto, anksčiau dirbęs Šefildo universitete. „Tai ne tik padėtų paaiškinti užsitęsusį neatitikimą tarp skirtingų kosmologinių matavimų, bet ir suteiktų dalelių fizikams aiškią kryptį – kokių savybių ieškoti laboratoriniuose eksperimentuose, siekiant pagaliau atskleisti tikrąją tamsiosios materijos prigimtį.“
Žinoma, žodelis „jei“ šiame kontekste yra labai svarbus, tačiau dėl įsisenėjusių mįslių šio tipo tyrimai atrodo itin viliojantys.
„Tokio aiškaus efekto paaiškinimas ir griežtas patikrinimas reikalauja išeiti už įprastų dalelių kosmologijoje taikomų aproksimacijų ribų, – pabrėžia teorinis fizikas Sebastianas Trojanowskis iš Lenkijos Nacionalinio branduolinių tyrimų centro. – Būtent tai ir bus tolimesnių tyrimų objektas.“
