Universul este mai cald decât ar trebui. Să fie de vină fotonii întunecați?

Recent, o echipă de astrofizicieni a folosit simulări sofisticate pe computer pentru a face o sugestie radicală. Universul este mai cald decât ar trebui din cauza unei forme exotice de materie întunecată cunoscută sub numele de „fotoni întunecați”.

Aceste particule ciudate ar fi purtătoarele celei de-a cincea forțe ale naturii, pe care materia normală nu o experimentează, dar ocazional acești fotoni întunecați își pot schimba identitatea pentru a deveni fotoni obișnuiți, oferind o sursă de căldură.

• Iată cum o simplă cană cu ceai poate deveni un detector de particule!
• Pentru prima dată în istorie, astronomii au fotografiat îndeaproape o stea din afara galaxiei Calea Lactee

Am putea găsi astfel de fotoni întunecați observând gazul intergalactic folosind ceea ce este cunoscut sub numele de „pădurea Lyman-alfa”. Atunci când observăm lumina de la un obiect îndepărtat, strălucitor, cum ar fi un quasar (obiecte strălucitoare alimentate de găurile negre din centrele galaxiilor îndepărtate), există o serie de goluri într-un spectru altfel neted de lumină de la acel obiect îndepărtat.

Universul este mai cald decât ar trebui și nu se știe clar de ce

Iată de ce! Acea lumină trebuie să treacă prin miliarde de ani-lumină de gaz pentru a ajunge la noi. Ocazional, acea lumină va trece printr-un pâlc relativ dens de hidrogen neutru, un tip de hidrogen care constă dintr-un proton și un neutron și care este împrăștiat în norii de gaz din tot Universul.

Cea mai mare parte a acestei lumini va trece neafectată, dar o lungime de undă foarte specifică a luminii va fi absorbită. Această lungime de undă corespunde diferenței de energie necesară pentru a ridica un electron de la primul la al doilea nivel de energie în atomii de hidrogen, notează Space.com.

Atunci când astronomii se uită la lumina care vine de la acel obiect, aceasta va arăta neremarcabilă, cu excepția unui decalaj la lungimea de undă a acelei tranziții energetice specifice, cunoscută sub numele de linia Lyman-alfa.

Lumina de la obiectul îndepărtat va trece prin mai mulți nori și aglomerări de hidrogen neutru. Expansiunea Universului face ca golurile să se deplaseze spre roșu la diferite lungimi de undă, un nou gol apărând la o lungime de undă diferită, în funcție de distanța până la norii de gaz particulari. Rezultatul final este „pădurea”: o serie de linii și lacune în spectru.

Universul este mai cald decât ar trebui

Aceste goluri Lyman-alfa pot fi folosite și pentru a măsura temperatura fiecărui nor de gaz. Dacă hidrogenul neutru ar fi perfect nemișcat, golul ar apărea ca o linie incredibil de subțire. Dar dacă moleculele individuale se mișcă, atunci golul se va lărgi din cauza energiei cinetice a acelor molecule. Cu cât gazul este mai fierbinte, cu atât moleculele au mai multă energie cinetică și golul este mai mare.

Într-o lucrare apărută în noiembrie în jurnalul Physical Review Letters, o echipă de astrofizicieni a subliniat că, folosind această metodă, se pare că norii de gaz care se împrăștie între galaxii sunt un pic prea fierbinți. Simulările computerizate ale evoluției acelor nori de gaz prevăd că aceștia sunt puțin mai reci decât observăm noi și, deci, poate că ceva încălzește norii, ceea ce nu este luat în considerare în prezent în simulările astrofizice.

Fotonii întunecați

O posibilă explicație pentru faptul că Universul este mai cald este prezența „fotonilor întunecați”, susțin autorii studiului. Aceasta este o formă foarte ipotetică de materie întunecată, substanța misterioasă, invizibilă, care reprezintă aproximativ 80% din toată masa din Univers, dar nu pare să interacționeze cu lumina.

Deoarece astronomii nu înțeleg în prezent identitatea materiei întunecate, câmpul este larg deschis cu posibilități cu privire la ceea ce ar putea fi. În acest model, în loc ca materia întunecată să fie făcută din particule invizibile (cum ar fi o versiune fantomă a electronilor, de exemplu), ar fi făcută în schimb dintr-un nou tip de purtător de forță, adică un tip de particule care mediază interacțiunile dintre alte particule.

Fotonul familiar este purtătorul de forță al electromagnetismului: este ceea ce creează electricitate, magnetism și lumină. Fotonii întunecați ar fi un purtător de forță pentru o nouă forță a naturii care nu operează la scara obișnuită în scenariile obișnuite (de exemplu, în laboratoare sau în cadrul sistemului solar).

Potrivit autorilor studiului, fotonii întunecați ar avea o mică masă și, prin urmare, ar putea reprezenta materia întunecată. În plus, deoarece sunt purtători de forță, pot interacționa între ei și cu alte potențiale particule de materie întunecată. În modelele investigate de echipa de astrofizicieni, fotonii întunecați sunt capabili de încă un truc: se pot transforma ocazional într-un foton obișnuit.

Fotonii care își schimbă identitatea

În termeni fizici, fotonii întunecați se pot „amesteca” cu fotonii obișnuiți, schimbând foarte rar identitățile. Iar atunci când o fac, fotonul nou creat continuă să facă ceea ce fac întotdeauna fotonii obișnuiți: să încălzească lucrurile.

Cercetătorii au efectuat primele simulări ale evoluției Universului, inclusiv efectele acestor fotoni întunecați care își schimbă forma. Ei au descoperit că o combinație specială dintre masa fotonului întunecat și probabilitatea de a se transforma într-un foton obișnuit ar putea explica discrepanța de încălzire.

Acest rezultat este destul de departe de a demonstra existența fotonilor întunecați. O serie de alte posibilități ar putea explica rezultatele Lyman-alfa, cum ar fi observații inexacte sau o înțelegere slabă a încălzirii astrofizice (normale) între galaxii. Dar indiciul este intrigant, iar rezultatele pot fi folosite ca un punct de plecare pentru a continua explorarea viabilității acestei idei exotice.

Vă recomandăm să citiți și:

O cantitate uriașă de hidrogen atomic, detectată în cea mai îndepărtată galaxie de până acum

Astronomii au descoperit stele neutronice masive care au trăit și murit într-o clipită

Călătoria în timp, posibilă cu o singură condiție. Ce a descoperit un matematician celebru și prieten al lui Albert Einstein?

Un semnal radio record de la o galaxie îndepărtată a oferit noi speranțe astronomilor