სიახლეებიწლებია ფარული მატერია ჩვენი გაგების ზღვარზე არსებობს - უხილავი, მიუწვდომელი, მაგრამ უეჭველი. ის ამრუდებს სივრცეს გალაქტიკების გარშემო, აკავშირებს კოსმოსურ სტრუქტურებს და შეადგენს სამყაროს გრავიტირებადი მასის დაახლოებით 85%-ს. თუმცა მისი ბუნება დღევანდელი ფიზიკის ერთ-ერთ ყველაზე ამოუცნობ საიდუმლოდ რჩება. ახლა კი, ასტროფიზიკოსთა ჯგუფმა ამ პრობლემას კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ასპექტი დაამატა.
2025 წლის აპრილში, ჟურნალ Physical Review Letters-ში გამოქვეყნებულ სტატიაში, მკვლევრებმა მნიშვნელოვანი ნაბიჯი გადადგეს ფარული მატერიის რაობის დასადგენად. მათ ახლომდებარე ჯუჯა გალაქტიკაში ვარსკვლავების მოძრაობას დააკვირდნენ და უახლესი კვანტური მოდელი გამოიყენეს, რის შედეგადაც განსაზღვრეს ახალი, მნიშვნელოვნად უფრო მაღალი ქვედა ზღვარი ჰიპოთეტური ულტრამსუბუქი ბოზონური ფარული მატერიის - იგივე „ფაფუკი ბნელი მატერიის“ - ნაწილაკების მასისთვის. ეს მცირე ცვლილება არ არის: ახალი ზღვარი წინა შეფასებაზე 100-ჯერ უფრო მკაცრია.
ფარული მატერია: სამყაროს უხილავი საყრდენი
მიუხედავად იმისა, რომ ის პირდაპირ არასოდეს უნახავთ, ფარული მატერიის არსებობა უეჭველია. გალაქტიკები ძალიან სწრაფად ბრუნავენ, გალაქტიკური კლასტერები ძალიან მჭიდროდ არიან შეკრული, და შორს მყოფი ობიექტებიდან მომავალი სინათლე ისე იხრება, რომ ამას ხილული მატერია ვერ ხსნის. რაც არ უნდა იყოს ფარული მატერია, ის აუცილებელია სამყაროს სტრუქტურისთვის.
თუ ფარული მატერიის გრავიტაციული გავლენა აშკარაა, მისი შემადგენლობა საიდუმლოა. კვანტური მექანიკის მიხედვით, ყველა ფუნდამენტური ნაწილაკი ორ კატეგორიას მიეკუთვნება: ფერმიონებს (მაგალითად, ელექტრონები და პროტონები), რომლებიც ემორჩილებიან პაულის აკრძალვის პრინციპს რომელიც ხელს უშლის ორ ფერმიონს დაიკავოს ერთი და იგივე კვანტური მდგომარეობა, და ბოზონებს (მაგალითად, ფოტონები და გლუონები), რომლებსაც ერთსა და იმავე კვანტურ მდგომარეობაში შეუძლიათ მოიყარონ თავი.
უმრავლესი კვლევები ფარულ მატერიას ფერმიონების სახით განიხილავდნენ და მათი მასისთვის ქვედა ზღვარიც დააწესეს. მაგრამ შესაძლებელია ფარული მატერია ბოზონურია და შედგება ნაწილაკებისგან რომლებსაც წარმოუდგენლად მცირე მასა და გრძელი ტალღის სიგრძე აქვთ. სწორედ ამას ეხება ახალი კვლევა.
ლეო II: პატარა გალაქტიკა დიდი მინიშნებებით
აღმოჩენის გასაღები ღრმა კოსმოსში კი არა, არამედ ჩვენი კოსმოსური მეზობლის — ლეო II-ის შესწავლაშია. ეს პატარა ჯუჯა სფერული გალაქტიკა ირმის ნახტომის გარშემო ბრუნავს. მიუხედავად იმისა, რომ ის ჩვენი გალაქტიკასთან შედარებით დაახლოებით ათასჯერ პატარაა, ლეო II ფარული მატერიის კვლევაში განსაკუთრებულ როლს თამაშობს.
რას ხდის ლეო II-ს იდეალურ კვლევით ობიექტად? სიახლოვე და სიმარტივე. „ჩვენ გვჭირდება მხოლოდ ერთი ფოტო, თუ როგორ გამოიყურება ლეო II,“ - ამბობს კვლევის წამყვანი ავტორი, ტიმ ციმერმანი, ოსლოს უნივერსიტეტის თეორიული ასტროფიზიკის ინსტიტუტის დოქტორანტი. „რადგან ის ასე ახლოსაა, არ გვჭირდება ისეთი ფაქტორების გათვალისწინება, როგორიცაა სამყაროს გაფართოება.“
ლეო II-ს გრავიტაციულად ფარული მატერია აკონტროლებს, ამიტომ მისი ვარსკვლავების მოძრაობის (ორბიტების სიჩქარისა და განაწილების) შესწავლით, მეცნიერები შეძლებენ გამოათვალონ ის უხილავი მასა, რომელიც ამ მოძრაობას იწვევს - ანუ ფარული მატერია თავის გრავიტაციულ ნაკვალევს ტოვებს, და ლეო II-ისთვის ნაკვალევი იშვიათად მკაფიოა.
კვანტური მექანიკა გალაქტიკურ მოძრაობასთან კვეთაში
მეცნიერებმა უახლესი მოდელირების ინსტრუმენტები გამოიყენეს გალაქტიკის ვარსკვლავური კინემატიკის ანალიზისთვის. მათი მიდგომა ეფუძნებოდა GRAVSPHERE-ს - მონტე კარლოს მეთოდზე დაფუძნებულ ალგორითმს, რომელიც ხსნის ჯინსის განტოლებას ვარსკვლავური მოძრაობისა და მასის განაწილების კავშირისთვის.
მათ დააგენერირეს 5,000 შესაძლო ფარული მატერიის სიმკვრივის პროფილი, რომლებიც ლეო II-ის ვარსკვლავური მოძრაობის დაკვირვებას შეესაბამებოდა. თუმცა აქ არ შეჩერდნენ.
იმის გასარკვევად, შეესაბამებოდა თუ არა ეს პროფილები ულტრამსუბუქი ბოზონური ფარული მატერიის მოდელს, მათ შროდინგერის განტოლებაც გამოიყენეს, იმის ვარაუდით, რომ ფარული მატერიის ნაწილაკები კვანტური ტალღებივით (და არა კლასიკური ნაწილაკებივით) იქცეოდნენ, რადგან ულტრამსუბუქი ბოზონების ძირითადი თვისებაა ძალიან დიდი დე ბროილის ტალღის სიგრძე.
JAXSP სახელწოდების გამოთვლითი ხელსაწყოს გამოყენებით, მათ აღადგინეს ფარული მატერიის ჰიპოთეტური ნაწილაკების კვანტური ტალღური ფუნქციები სხვადასხვა მასისთვის და შეადარეს ისინი ლეო II-ში რეალურად დაკვირვებულ სიმკვრივის პროფილებს.
განუზღვრელობის პრინციპი ზღვარს გვიჩვენებს
რატომ არის მნიშვნელოვანი ნაწილაკის მასა? იმიტომ, რომ ჰაიზენბერგის განუზღვრელობის პრინციპი - ერთ-ერთი მთავარი კანონი კვანტურ თეორიაში - ზღუდავს, რამდენად ზუსტად შეიძლება ვიცოდეთ ნაწილაკის ადგილმდებარეობა და იმპულსი ერთდროულად. ძალიან მსუბუქი ნაწილაკებისთვის ეს ნიშნავს, რომ ისინი პატარა სივრცეებში ვერ შეკავდებიან - მათი ტალღისებური ბუნება დომინირებს და იწვევს ე.წ. „კვანტურ ბუნდოვანებას.“
ეს ბუნდოვანება სერიოზულ შედეგებს იწვევს: თუ ფარული მატერიის ნაწილაკი ძალიან მსუბუქია, ის ვერ შეკრიბავს საკმარის სიმკვრივეს, რომ ლეო II-ს მსგავსი გალაქტიკის გრავიტაციული ქცევა ახსნას. არსებობს მინიმალური ზღვარი მასისთვის, მის ქვემოთ ფარული მატერია უბრალოდ გაიფანტება და ვერ შექმნის სტრუქტურებს, რაც რეალურ გალაქტიკებს სჭირდებათ.
და სწორედ ეს გაზომეს ციმერმანმა და მისმა კოლეგებმა: მათ დაადგინეს, რომ ულტრამსუბუქი ბოზონური ფარული მატერიის მასა უნდა იყოს მინიმუმ 2.2 × 10⁻²¹ ელექტრონვოლტი (eV) — რაც ორი რიგით უფრო მაღალია, ვიდრე წინა ქვედა ზღვარი.
„ფაფუკი ფარული მატერიის“ მოდელი საფრთხეშია
ეს შედეგი სერიოზულ დარტყმას აყენებს ერთ-ერთ ყველაზე პოპულარულ ფარული მატერიის ჰიპოთეზას: ფაფუკ ბნელ მატერიას, რომლის ნაწილაკის მასა, როგორც წესი, 10⁻²² eV-ის გარშემო მოიაზრება. ეს მოდელი მიმზიდველად ითვლებოდა, რადგან ის აყალიბებდა მარტივ ახსნებს ძველ ასტროფიზიკურ პრობლემებზე, მაგალითად რატომ აქვს ბევრ გალაქტიკას ერთგვაროვანი ბირთვი და არა მკვეთრი ცენტრი.
„ფაფუკი ბნელი მატერია 10⁻²² eV მასით უკვე ძლიერი წნეხის ქვეშ იყო სხვადასხვა დამოუკიდებელი კვლევებისგან,“ - აღნიშნა ციმერმანმა. „ახლა კი ეს ვარაუდი უფრო დიდი დარწმუნებით შეგვიძლია გამოვთქვათ.“
წინა კვლევები ხშირად ეყრდნობოდა მოდელებს, რომლებიც ითვალისწინებდა ვარსკვლავთა წარმოქმნას, კოსმოსურ რეიონიზაციას და სხვა რთულ პროცესებს. ახალი შედეგი განსხვავებულია: ის მხოლოდ ლოკალური დაკვირვებით და ფიზიკის პირველადი პრინციპებით არის მიღებული, ყოველგვარი გლობალური სიმულაციების გარეშე.
სხვა სიტყვებით, ლეო II-მ გვითხრა მნიშვნელოვანი რამ: თუ ფარული მატერია ულტრამსუბუქი ბოზონებისგან შედგება, ისინი იმაზე მძიმე უნდა იყვნენ, ვიდრე ვფიქრობდით.
შერეული ფარული მატერიის მოდელისკენ
რა დარჩა ფარული მატერიის ძიებისთვის? მიუხედავად იმისა, რომ ზოგი თეორია დარტყმას იღებს, ყველაფერი ჯერ არ დასრულებულა.
ციმერმანი და მისი ჯგუფი უკვე შერეულ ფარულ მატერიაზე ფიქრობენ - მოდელზე, სადაც ფარული მატერია რამდენიმე სახის ნაწილაკებისგან შედგება: ზოგი მსუბუქი, ზოგი მძიმე, ზოგი ბოზონური, ზოგი კი ფერმიონული.
„ჩვენი ანალიზის ამ მიმართულებით გავრცელება - მხოლოდ ლოკალური დაკვირვებების ინფორმაციის გამოყენებით ზუსტი ზღვრის დადგენა - ბუნებრივია გაგრძელდება,“ - ამბობს ციმერმანი.
ასეთი მოდელები უკეთ ერგება როგორც ლეო II-ს მსგავსი გალაქტიკების ქცევას, ისე კოსმოსური მიკროტალღური ფონის დეტალურ სტრუქტურას. ეს ასევე ასახავს უკვე ცნობილი ნაწილაკების სტრუქტურების სირთულეს - ელექტრონებიდან და კვარკებიდან, ნეიტრინოებსა და ჰიგსის ბოზონამდე. რატომ უნდა იყოს ფარული მატერია უფრო მარტივი?
კოსმოსის კვანტური რუკა
ეს კვლევა მხოლოდ ახალი ზღვარი არ არის, ის დემონსტრირებაა იმისა, თუ როგორ შეუძლიათ კვანტურ ფიზიკასა და ასტროფიზიკას გაერთიანება სამყაროს დაკარგული მასის საძიებლად. შროდინგერის განტოლების გამოყენებით გალაქტიკებზე და ტალღური ფუნქციებით ვარსკვლავური მოძრაობის წინასწარმეტყველებით, მეცნიერები ქმნიან კოსმოსის ახალ რუკას - რუკას, სადაც სამყაროს ყველაზე ღრმა საიდუმლოებები ვარსკვლავურ ნათებაში კი არა, ჩრდილებში შეიძლება იპოვო.
ახალი ნაშრომი შეგვახსენებს, რომ პროგრესი ყოველთვის არ მოდის ახლის დანახვით. ზოგჯერ ის მოდის იმის დამტკიცებით, რაც ვერ დავინახეთ. და სამყაროში, სადაც ფარული მატერია ხილულ ვარსკვლავებს ხუთჯერ აღემატება, იმის ცოდნა, რა არ არის, ისეთივე ღირებულია, როგორც იმის აღმოჩენა, თუ რა არის.
წყარო:
