Pembentukan struktur kosmik, pada skala besar dan kecil, sangat tergantung pada bagaimana materi gelap dan materi normal berinteraksi. Terlepas dari bukti tidak langsung untuk materi gelap, kami senang dapat mendeteksinya secara langsung, yang merupakan sesuatu yang hanya dapat terjadi jika ada penampang yang tidak nol antara materi normal dan materi gelap. (KOLABORASI ILLUSTRIS / SIMULASI ILLUSTRIS)

Cold Dark Matter Dipanaskan Oleh Bintang, Meskipun Tidak Dapat 'Merasa' Mereka

Jika materi gelap tidak berinteraksi dengan materi atau cahaya normal, bagaimana ia bisa memanas?

Salah satu misteri kosmik terbesar di zaman kita adalah keberadaan dan keberadaan materi gelap. Tidak seperti materi normal, yang terbuat dari partikel-partikel diketahui yang dapat memancarkan, menyerap, atau berinteraksi dengan cahaya dan partikel-partikel lain yang diketahui, materi gelap hanya melewati keduanya dan semua yang lain. Sejauh yang dapat kita ketahui, ia sama sekali tidak terlihat, kecuali satu efek: ia tampak memiliki massa gravitasi. Ini mempengaruhi kelengkungan ruangwaktu, dan menyatukan galaksi, kelompok galaksi, dan jaringan kosmik besar bersama-sama.

Ketika kita menjalankan simulasi, kita mendapatkan prediksi yang sangat spesifik untuk struktur yang seharusnya terbentuk oleh materi gelap. Web kosmik berbaris, tetapi skala galaksi yang lebih kecil tidak. Lama disebut-sebut sebagai masalah terbesar untuk materi gelap dingin, para ilmuwan telah menemukan solusinya: materi gelap dipanaskan oleh bintang-bintang. Inilah kisah tentang bagaimana hal itu terjadi.

Pada suhu tinggi yang dicapai di Semesta yang sangat muda, tidak hanya partikel dan foton dapat dibuat secara spontan, diberi energi yang cukup, tetapi juga antipartikel dan partikel tidak stabil, menghasilkan sup partikel dan antipartikel purba. Meskipun materi normal dan partikel antimateri dapat bertabrakan dengan diri mereka sendiri dan dengan radiasi, partikel materi gelap harus melalui satu sama lain tanpa berinteraksi. (LABORATORIUM NASIONAL BROOKHAVEN)

Bayangkan Semesta seperti yang mungkin ada di tahap paling awal setelah Big Bang. Panas, padat, penuh dengan materi dan radiasi. Hanya, alih-alih partikel yang mungkin Anda pikirkan secara eksklusif - partikel subatomik yang membentuk atom, misalnya - ada lima kali lebih banyak materi gelap. Pada masa-masa awal ini, partikel-partikel materi normal menabrak satu sama lain dan menjadi foton, tetapi materi gelap melewati segalanya, menolak bertabrakan.

Seolah-olah materi gelap 100% permeabel: materi normal melewatinya, antimateri melewatinya, foton melewatinya, bahkan partikel materi gelap lainnya melewatinya. Ini hanya karena materi gelap itu dingin, atau bergerak sangat lambat dibandingkan dengan kecepatan cahaya, yang akhirnya dapat berkumpul bersama menjadi gumpalan gravitasi. Seiring waktu, ia melakukan hal itu, menarik materi normal ke dalam sumur gravitasi yang diciptakannya pada masa-masa awal.

Pengamatan skala terbesar di Semesta, dari latar belakang gelombang mikro kosmik ke jaringan kosmik ke kluster galaksi hingga galaksi individual, semua membutuhkan materi gelap untuk menjelaskan apa yang kita amati. Struktur skala besar membutuhkannya, tetapi biji-biji dari struktur itu, dari Cosmic Microwave Background, memerlukannya juga. (CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)

Jadi, yang kita temui adalah Semesta yang dihuni oleh wilayah-wilayah ruang yang mengandung distribusi materi berbentuk bola: baik yang normal maupun yang gelap. Seiring waktu, materi normal akan bertabrakan dengan partikel materi normal lainnya dan tetap bersatu, membentuk molekul, awan gas, dan melepaskan radiasi. Materi yang normal, berbasis atom akan tenggelam ke pusat setiap wilayah tersebut, di mana ia biasanya akan membentuk bentuk cakram yang berputar: seperti yang kita ketahui sebagai galaksi.

Sementara itu, materi gelap tidak mampu melakukan hal seperti itu. Itu tetap dalam lingkaran halo besar yang tersebar di sekitar galaksi itu sendiri. Ini harus independen dari ukuran atau skala galaksi, seperti yang ditunjukkan oleh simulasi. Terlepas dari seberapa besar galaksi keseluruhan, harus ada lingkaran gelap materi yang memanjang ke ruang angkasa dengan faktor sepuluh atau lebih di atas disk itu sendiri. Ini berlaku untuk galaksi berukuran Bima Sakti, galaksi yang lebih besar, dan bahkan galaksi kerdil yang kecil.

Menurut model dan simulasi, semua galaksi harus tertanam dalam lingkaran cahaya materi gelap, yang kepadatannya memuncak di pusat galaksi. Pada rentang waktu yang cukup lama, mungkin satu miliar tahun, satu partikel materi gelap dari pinggiran lingkaran akan menyelesaikan satu orbit. Efek gas, umpan balik, pembentukan bintang, supernova, dan radiasi semuanya menyulitkan lingkungan ini, sehingga sangat sulit untuk mengekstraksi prediksi materi gelap universal. (NASA, ESA, dan T. COKLAT DAN J. TUMLINSON (STSCI))

Ini adalah gambar standar: gambar yang menjadi landasan astrofisika modern selama lebih dari 20 tahun. Namun baru-baru ini, pengamatan galaksi kerdil - galaksi antara 0,1% dan 1% sama besar dengan galaksi kita sendiri - telah menunjukkan bahwa gagasan profil materi gelap universal ini tidak cocok dengan data dengan sangat baik. Secara khusus, banyak galaksi ini menunjukkan bukti bahwa ada lebih sedikit materi gelap di dalam interior galaksi ini, atau di inti pusatnya, daripada yang diprediksi oleh simulasi ini.

Jika kita menjalankan simulasi galaksi dengan materi gelap saja, ini tidak mungkin terjadi. Tetapi jika kita mengambil apa yang sudah kita ketahui:

  • materi gelap itu tidak berinteraksi dengan dirinya sendiri atau materi normal atau radiasi,
  • bahwa materi normal dapat berinteraksi dengan dirinya sendiri dan dengan radiasi, tetapi bukan materi gelap,
  • dan bahwa materi normal dan materi gelap dapat berkomunikasi melalui gaya gravitasi,

solusi yang mungkin muncul muncul.

Hanya sekitar 1000 bintang yang hadir dalam keseluruhan galaksi kerdil, Segue 1 dan Segue 3, yang memiliki massa gravitasi 600.000 Matahari. Bintang-bintang yang membentuk satelit kurcaci Segue 1 dilingkari di sini. Jika penelitian baru benar, maka materi gelap akan mematuhi distribusi yang berbeda tergantung pada bagaimana pembentukan bintang, sepanjang sejarah galaksi, telah memanaskannya. (MARLA GEHA DAN KECK OBSERVATORIES)

Cara untuk memikirkannya adalah dengan memvisualisasikan apa yang terjadi dengan materi normal di pusat galaksi ini ketika ia membentuk sejumlah besar bintang baru. Gas yang hadir menyusut, menciptakan bintang-bintang baru dari berbagai massa, dan mulai mengalami radiasi yang berasal dari bintang-bintang muda yang baru-baru ini terbentuk di sana.

Ini adalah bintang terpanas dan paling masif yang memancarkan radiasi terbanyak, dan bintang-bintang itu juga memancarkan partikel materi. Angin bintang ini bekerja untuk mendorong gas dan debu menjauh dari pusat galaksi, memberinya dorongan energi kinetik. Semua materi normal itu terkonsentrasi di inti galaksi, dan ledakan formasi bintang yang baru dan penting ini berhasil mendorongnya menjauh. Pusat galaksi sekarang memiliki lebih sedikit materi - materi normal, yaitu - daripada sebelumnya.

Galaksi-galaksi yang mengalami semburan besar-besaran formasi bintang dapat mengungguli galaksi-galaksi khas yang jauh lebih besar. M82, Galaxy Cigar, secara gravitasi berinteraksi dengan tetangganya (tidak digambarkan), menyebabkan ledakan formasi bintang baru yang aktif ini, yang mengeluarkan gas dari wilayah pusatnya. Efek dari angin bintang terlihat jelas dengan warna merah. (NASA, ESA, DAN TIM WARISAN HUBBLE (STSCI / AURA))

Apa yang terjadi selanjutnya?

Nah, pikirkan tentang apa yang akan terjadi pada planet-planet di Tata Surya jika Anda menghilangkan sejumlah besar massa dari Matahari. Massa pusat yang besar itu membuat mereka berada di orbit stabil dan hampir melingkar. Jika massa meningkat, mereka akan berputar ke dalam; jika massa berkurang, mereka akan spiral ke luar.

Ketika galaksi membentuk bintang, seolah-olah wilayah pusat kehilangan massa, yang menyebabkan semua materi di sekitarnya merasakan tarikan gravitasi yang berkurang. Ya, materi normal dikeluarkan karena radiasi, angin, dan tekanan. Setelah itu hilang dari pusat, semua materi yang ada - baik yang normal maupun yang gelap - memiliki sedikit tarikan gravitasi untuk mempertahankannya. Satu-satunya jalan adalah pindah ke orbit yang lebih tinggi, tidak terikat erat.

Dalam sistem mengorbit apa pun, ini adalah nilai massa interior pusat yang mempertahankan objek dalam orbit elips yang konstan. Jika massa di tengah berkurang, orbit partikel di dalamnya akan spiral ke luar, ke jarak yang lebih besar dan lebih besar, lebih lanjut berdampak pada jumlah massa di daerah pusat. (AMANDA SMITH, UNIVERSITY OF CAMBRIDGE)

Efek ini adalah apa yang dikenal sebagai "pemanasan materi gelap." Ini bukan radiasi dari bintang-bintang atau panas dari materi normal yang ditransfer ke materi gelap itu sendiri; itu tidak melibatkan transfer suhu atau energi secara langsung.

Alih-alih, yang terjadi adalah bahwa energi tambahan yang diberikan ke materi normal mengeluarkannya dari tempat yang sebelumnya paling terkonsentrasi: di pusat galaksi. Setelah materi normal itu dihapus dari pusat galaksi, ada lebih sedikit massa di sana untuk menahan materi gelap, dan ia juga harus pindah ke orbit yang lebih tinggi, tidak terikat erat. Karena materi gelap terdorong keluar dan menabrak orbit yang lebih tinggi, lebih energik, ia memiliki efek yang sama seolah-olah materi gelap diberi ledakan energi ekstra. Sebenarnya tidak lebih panas dari sebelumnya, tetapi efeknya identik.

Wilayah pembentuk bintang yang sangat besar di galaksi kerdil UGCA 281, sebagaimana dicitrakan oleh Hubble di bagian kasat mata dan ultraviolet, sebagai bagian dari survei LEGUS. Cahaya biru adalah cahaya bintang dari panas, bintang-bintang muda terpantul dari latar belakang, gas netral, sedangkan tambalan paling terang menunjukkan emisi terbesar dari sinar UV. Bagian merah, bagaimanapun, adalah bukti gas hidrogen terionisasi, yang memancarkan cahaya merah karakteristik ketika elektron bergabung dengan proton bebas. Gas sedang dikeluarkan dari wilayah ini karena angin bintang dari bintang muda terpanas. (NASA, ESA DAN TIM LEGUS)

Selama masa hidup mereka, galaksi dari semua jenis mengalami beberapa siklus gas yang mengalir masuk dan keluar dari daerah pusat. Ketika konsentrasi gas mencapai tingkat yang sangat tinggi, itu dapat memicu pembentukan bintang baru; ketika konsentrasi gas mencapai tingkat rendah, pembentukan bintang baru tidak mungkin terjadi.

Jadi apa artinya ini bagi galaksi kerdil yang sebenarnya Anda temukan, jika ide ini benar?

Ini berarti bahwa jika sebuah galaksi hanya memiliki beberapa ledakan kecil pembentukan bintang pusat, materi gelap di inti tidak akan menjadi panas oleh banyak. Sebagian besar masih akan hadir. Anda akan mengharapkan nilai materi gelap yang relatif tinggi di pusat galaksi kerdil yang memiliki sedikit sejarah pembentukan bintang di pusatnya.

Galaksi kerdil NGC 5477 adalah salah satu dari banyak galaksi kerdil yang tidak beraturan. Daerah biru adalah indikasi pembentukan bintang baru, tetapi banyak galaksi seperti itu tidak membentuk bintang baru dalam miliaran tahun. Jika gagasan tentang pemanasan materi gelap benar, Anda akan mengharapkan profil massa galaksi kerdil muncul berbeda berdasarkan total sejarah pembentukan bintang mereka. (ESA / HUBBLE AND NASA)

Tetapi jika sebuah galaksi telah membentuk sejumlah besar bintang dalam sejarahnya, Anda malah akan berharap bahwa gas dan materi di dekat pusat galaksi akan sebagian besar dikeluarkan, yang mendorong materi gelap ke orbit yang lebih tinggi, dan mengubah profil massa yang disimpulkan. galaksi. Praktis semua galaksi memiliki fase ledakan bintang selama beberapa miliar tahun pertama, tetapi yang paling tidak aktif telah diam selama miliaran tahun setelahnya. Dengan kata lain, sejarah yang kaya dari pembentukan bintang baru-baru ini harus mengarah ke inti materi gelap dengan massa rendah di galaksi kerdil, sedangkan hanya pembentukan bintang purba yang mengarah ke inti bermassa lebih tinggi.

Itulah yang ditemukan oleh tim yang dipimpin oleh Justin Read dalam sebuah studi baru yang dirilis pada bulan Januari. Menurut Dr. Baca:

Kami menemukan hubungan yang benar-benar luar biasa antara jumlah materi gelap di pusat kerdil kecil ini, dan jumlah pembentukan bintang yang mereka alami selama hidup mereka. Materi gelap di pusat kerdil pembentuk bintang tampaknya telah 'memanas' dan didorong keluar.

Ini adalah kasus spektakuler dari simulasi yang lebih canggih yang menjelaskan sebuah fenomena yang simulasi sebelumnya, membuat asumsi yang lebih naif, tidak dapat menjelaskan.

Formasi bintang di galaksi kerdil kecil dapat perlahan

Secara tradisional, materi gelap telah menjadi penjelasan mendalam untuk fenomena yang telah kita amati pada skala kosmik besar. Ini menjelaskan fluktuasi latar belakang gelombang mikro kosmik, struktur alam semesta berskala besar, dan perilaku kluster dan kelompok galaksi dengan cara yang tidak bisa dilakukan oleh alternatif. Namun, skala galaksi terkecil telah terbukti bermasalah untuk simulasi materi gelap, membuat banyak orang mempertanyakan validitasnya.

Penemuan baru ini adalah kasus yang menarik di mana teori dan pengamatan berbaris dengan sempurna begitu perhitungan yang lebih baik dilakukan. Akhirnya mungkin menyelesaikan salah satu masalah terbesar untuk materi gelap: menjelaskan perilaku galaksi terkecil di Semesta. Bahkan tanpa transfer energi langsung, materi gelap dipengaruhi oleh gravitasi segala sesuatu di sekitarnya. Jika formasi bintang menggerakkan massa, materi gelap juga akan bergerak. Materi gelap dingin, secara tidak langsung, akan dipanaskan oleh bintang-bintang. Akhirnya, kami akhirnya mengerti caranya.

Mulai Dengan Bang sekarang di Forbes, dan diterbitkan ulang di Medium berkat para pendukung Patreon kami. Ethan telah menulis dua buku, Beyond The Galaxy, dan Treknology: The Science of Star Trek dari Tricorders ke Warp Drive.