Cold Dark Matter (CDM)

Universum består av minst två slags ämnen. Det finns främst det material vi kan upptäcka, som astronomer kallar "baryonisk" materia. Det är tänkt som "vanlig" materia eftersom den är gjord av protoner och neutroner, som kan mätas. Baryonic materia inkluderar stjärnor och galaxer, plus alla föremål som de innehåller.

Det finns också "saker" där ute i universum som inte kan upptäckas med normala observationsmedel. Ändå finns det för att astronomer kan mäta gravitationseffekten på baryonmaterial. Astronomer kallar detta material "mörk materia" eftersom det är mörkt. Det reflekterar inte eller avger ljus. Denna mystiska form av materia presenterar några stora utmaningar för att förstå en hel del saker om universum, tillbaka till början, för cirka 13,7 miljarder år sedan.

För decennier sedan fann astronomer att det inte fanns tillräckligt med massa i universum för att förklara saker som rotationen av stjärnor i galaxer och rörelserna från stjärnkluster. Mass påverkar ett objekts rörelse genom rymden, oavsett om det är en galax eller en stjärna eller en planet. Att döma efter hur vissa galaxer roterade, till exempel, det verkade som det var mer massa där ute någonstans. Det upptäcktes inte. Det "saknades" på något sätt från massinventeringen de samlade med stjärnor och nebulosor för att tilldela en galax en given massa.

Forskare började gräva djupare för att räkna ut var all den saknade massan hade gått. De ansåg att kanske vår förståelse av fysik, dvs. allmän relativitet, var bristfällig, men för många andra saker kom inte till. Så de beslutade att kanske massan fortfarande var där, men helt enkelt inte synlig.

Även om det fortfarande är möjligt att vi saknar något grundläggande i våra gravitationsteorier, har det andra alternativet varit mer smakligt för fysiker. Ur den uppenbarelsen föddes idén om mörk materia. Det finns observationsbevis för det runt galaxer, och teorier och modeller pekar på involvering av mörk materia tidigt i universums bildning. Så astronomer och kosmologer vet att det finns där ute, men har ännu inte kommit fram till vad det är än.

Så vad kan mörk materia vara? Hittills finns det bara teorier och modeller. De kan faktiskt delas in i tre allmänna grupper: varm mörk materia (HDM), varm mörk materia (WDM) och kall mörk materia (CDM).

Av de tre har CDM länge varit den ledande kandidaten för vad denna saknade massa i universum är. Vissa forskare föredrar fortfarande en kombinationsteori, där aspekter av alla tre typer av mörk materia finns tillsammans för att utgöra den totala saknade massan.

CDM är en typ av mörk materia som, om den finns, rör sig långsamt jämfört med ljusets hastighet. Det tros ha funnits i universum från början och har mycket troligtvis påverkat galaxernas tillväxt och utveckling. liksom bildandet av de första stjärnorna. Astronomer och fysiker tror att det troligtvis är någon exotisk partikel som ännu inte har upptäckts. Det har mycket troligt några mycket specifika egenskaper:

Det skulle behöva sakna interaktion med den elektromagnetiska kraften. Detta är ganska uppenbart eftersom mörk materia är mörk. Därför interagerar den inte med, reflekterar eller utstrålar någon typ av energi i det elektromagnetiska spektrumet.

Men varje kandidatpartikel som utgör kall mörk materia måste ta hänsyn till att den måste interagera med ett gravitationsfält. För att bevisa detta har astronomer märkt att ansamlingar av mörk materia i galaxklyngar påverkar gravitationspåverkan på ljus från mer avlägsna föremål som råkar gå förbi. Denna så kallade "gravitationslinsningseffekt" har observerats många gånger.

Även om ingen känd materia uppfyller alla kriterierna för kall mörk materia, har minst tre teorier tagits fram för att förklara CDM (om de finns).

• Svagt samverkande massiva partiklar: Också känd som wimps, dessa partiklar uppfyller per definition alla CDM-behov. Men ingen sådan partikel har någonsin visat sig existera. WIMP: er har blivit den fängslande termen för alla kalla mörka materialkandidater, oavsett varför partikeln tros uppstå.
• Axions: Dessa partiklar har (åtminstone marginellt) de nödvändiga egenskaperna för mörk materia, men av olika skäl är förmodligen inte svaret på frågan om kall mörk substans.
• MACHO-kroppar: Detta är en förkortning för Massiva kompakta haloobjekt, som är föremål som svarta hål, forntida neutronstjärnor, bruna dvärgar och planetobjekt. Dessa är alla icke-lysande och massiva. Men på grund av deras stora storlekar, både vad gäller volym och massa, skulle de vara relativt enkla att upptäcka genom att övervaka lokala gravitationsinteraktioner. Det finns problem med MACHO-hypotesen. Den observerade rörelsen hos galaxer är till exempel enhetlig på ett sätt som skulle vara svårt att förklara om MACHO levererade den saknade massan. Dessutom skulle stjärnkluster kräva en mycket enhetlig fördelning av sådana föremål inom deras gränser. Det verkar mycket osannolikt. Dessutom är det stora antalet MACHO som måste vara ganska stort för att förklara den saknade massan.

Just nu har mysteriet med mörk materia ännu ingen uppenbar lösning. Astronomer fortsätter att designa experiment för att söka efter dessa svårfångade partiklar. När de tar reda på vad de är och hur de är fördelade över hela universum kommer de att ha låst upp ett annat kapitel i vår förståelse av kosmos.