De zwaartekracht in het heelal waaronder het is geëvolueerd van een toestand die bijna uniform was bij de oerknal tot nu toe, wanneer materie is geconcentreerd in sterrenstelsels, sterren en planeten, wordt geleverd door wat 'donkere materie' wordt genoemd." Maar ondanks de essentiële rol die dit extra materiaal speelt, we weten bijna niets over de aard ervan, gedrag en samenstelling, dat is een van de fundamentele problemen van de moderne natuurkunde. In een recent artikel in Astronomie en astrofysica Brieven , wetenschappers van het Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)/University of La Laguna (ULL) en van de National University of the North-West of the Province of Buenos Aires (Junín, Argentinië) hebben aangetoond dat de donkere materie in sterrenstelsels een 'maximale entropie'-verdeling volgt, die licht werpt op zijn aard.

Donkere materie maakt 85% uit van de materie van het heelal, maar het bestaan ​​ervan blijkt alleen op astronomische schalen. Het is te zeggen, vanwege de zwakke interactie, het netto-effect is alleen waarneembaar als het in grote hoeveelheden aanwezig is. Omdat het maar met moeite afkoelt, de structuren die het vormt zijn over het algemeen veel groter dan planeten en sterren. Omdat de aanwezigheid van donkere materie alleen op grote schaal aan het licht komt, moet de ontdekking van de aard ervan waarschijnlijk worden gedaan door astrofysische studies.

Maximale entropie

Zeggen dat de verdeling van donkere materie is georganiseerd volgens maximale entropie (wat overeenkomt met 'maximale wanorde' of 'thermodynamisch evenwicht'), betekent dat het zich in de meest waarschijnlijke toestand bevindt. Om deze 'maximale wanorde' te bereiken, moet de donkere materie in zichzelf botsen, net zoals gasmoleculen dat doen, om een ​​evenwicht te bereiken waarin de dichtheid, druk, en temperatuur zijn gerelateerd. Echter, we weten niet hoe de donkere materie dit soort evenwicht heeft bereikt.

"In tegenstelling tot de moleculen in de lucht, bijvoorbeeld, omdat de zwaartekracht zwak is, donkere materiedeeltjes zouden nauwelijks met elkaar in botsing mogen komen, zodat het mechanisme waardoor ze in evenwicht komen een mysterie is, " zegt Jorge Sánchez Almeida, een IAC-onderzoeker die de eerste auteur van het artikel is. "Als ze echter met elkaar in botsing zouden komen, zou dit hen een heel speciaal karakter geven, die het mysterie van hun oorsprong gedeeltelijk zouden oplossen, " hij voegt toe.

De maximale entropie van donkere materie is gedetecteerd in dwergstelsels, die een hogere verhouding van donkere materie tot totale materie hebben dan meer massieve sterrenstelsels, dus het is gemakkelijker om het effect erin te zien. Echter, de onderzoekers verwachten dat het algemeen gedrag is in alle soorten sterrenstelsels.

De studie impliceert dat de verdeling van materie in thermodynamisch evenwicht een veel lagere centrale dichtheid heeft die astronomen voor veel praktische toepassingen hebben aangenomen, zoals bij de juiste interpretatie van zwaartekrachtlenzen, of bij het ontwerpen van experimenten om donkere materie te detecteren door zijn zelfvernietiging.

Deze centrale dichtheid is de basis voor de juiste interpretatie van de kromming van het licht door zwaartekrachtlenzen:als deze minder dicht is, is het effect van de lens minder. Om een ​​zwaartekrachtlens te gebruiken om de massa van een melkwegstelsel te meten, heb je een model nodig, als dit model wordt gewijzigd, de meting verandert.

De centrale dichtheid is ook erg belangrijk voor de experimenten die donkere materie proberen te detecteren met behulp van zijn zelfvernietiging. Twee donkere materiedeeltjes zouden kunnen interageren en verdwijnen in een proces dat hoogst onwaarschijnlijk is, maar wat kenmerkend zou zijn voor hun aard. Om twee deeltjes te laten interageren, moeten ze botsen. De kans op deze botsing hangt af van de dichtheid van de donkere materie; hoe hoger de concentratie donkere materie, hoe groter de kans dat de deeltjes botsen.

"Om die reden, als de dichtheid verandert, verandert ook de verwachte productiesnelheid van de zelfvernietiging, en aangezien de experimenten zijn ontworpen op de voorspelling van een bepaalde snelheid, als dit percentage erg laag zou zijn, is het onwaarschijnlijk dat het experiment een positief resultaat oplevert, ", zegt Sánchez Almeida.

Eindelijk, thermodynamisch evenwicht voor donkere materie zou ook het helderheidsprofiel van de sterrenstelsels kunnen verklaren. Deze helderheid neemt op een specifieke manier af met de afstand tot het centrum van een melkwegstelsel, waarvan de fysieke oorsprong onbekend is, maar waarvoor de onderzoekers proberen aan te tonen dat het het resultaat is van een evenwicht met maximale entropie.

Simulatie versus observatie

De dichtheid van donkere materie in de centra van sterrenstelsels is al tientallen jaren een mysterie. Er is een sterke discrepantie tussen de voorspellingen van de simulaties (een hoge dichtheid) en dat wat wordt waargenomen (een lage waarde). Astronomen hebben vele soorten mechanismen naar voren gebracht om dit grote meningsverschil op te lossen.

In dit artikel, hebben de onderzoekers aangetoond, met behulp van fysieke basisprincipes, dat de waarnemingen kunnen worden gereproduceerd in de veronderstelling dat de donkere materie in evenwicht is, d.w.z., dat het maximale entropie heeft. De gevolgen van dit resultaat kunnen erg belangrijk zijn omdat ze aangeven dat de donkere materie energie heeft uitgewisseld met zichzelf en/of met de resterende 'normale' (baryonische) materie.

"Het feit dat er in zo'n korte tijd een evenwicht is bereikt, vergeleken met de leeftijd van het heelal, kan het resultaat zijn van een soort interactie tussen donkere materie en normale materie naast de zwaartekracht, " stelt Ignacio Trujillo voor, een IAC-onderzoeker en een co-auteur van dit artikel. "De exacte aard van dit mechanisme moet worden onderzocht, maar de gevolgen kunnen fascinerend zijn om te begrijpen wat dit onderdeel is dat de totale hoeveelheid materie in het heelal domineert."