Eeneiige tweelingen lijken in veel opzichten op elkaar, maar ze hebben verschillende ervaringen, vrienden, en levensstijlen.

Dit concept wordt op kosmologische schaal uitgespeeld door sterrenstelsels. Twee sterrenstelsels die op het eerste gezicht erg op elkaar lijken en feitelijk identiek zijn, kunnen binnengebieden hebben die met zeer verschillende snelheden roteren - de galactische analoog van tweelingen met verschillende levensstijlen.

Een team van natuurkundigen, geleid door Hai-Bo Yu van de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft een eenvoudige en haalbare verklaring voor deze diversiteit gevonden.

Elk sterrenstelsel bevindt zich in een halo van donkere materie die de zwaartekrachtssteiger vormt die het bij elkaar houdt. De verdeling van donkere materie in deze halo kan worden afgeleid uit de beweging van sterren en gasdeeltjes in de melkweg.

Yu en collega's melden in Fysieke beoordelingsbrieven dat diverse galactische rotatiecurven, een grafiek van rotatiesnelheden op verschillende afstanden van het centrum, kan natuurlijk worden verklaard als wordt aangenomen dat donkere materiedeeltjes sterk met elkaar botsen in de binnenste halo, dicht bij het centrum van de melkweg - een proces dat zelfinteractie van donkere materie wordt genoemd.

"In de heersende donkere materie theorie, genaamd Koude Donkere Materie of CDM, donkere materiedeeltjes worden verondersteld botsingloos te zijn, afgezien van de zwaartekracht, " zei Yu, een assistent-professor theoretische deeltjesfysica en astrofysica, die het onderzoek leidde. "We beroepen ons op een andere theorie, het zelf-interagerende donkere-materiemodel of SIDM, om aan te tonen dat zelfinteracties van donkere materie de binnenste halo thermaliseren, die de verdeling van gewone materie en donkere materie met elkaar verbindt, zodat ze zich als een collectieve eenheid gedragen. De zelf-interagerende halo van donkere materie wordt dan flexibel genoeg om de waargenomen diverse rotatiecurven te accommoderen."

Yu legde uit dat de botsingen van donkere materie plaatsvinden in de dichte innerlijke halo, waar het lichtgevende sterrenstelsel zich bevindt. Als de deeltjes botsen, ze wisselen energie uit en thermaliseren. Voor weinig lichtgevende sterrenstelsels, het thermalisatieproces verwarmt de innerlijke donkere materiedeeltjes en duwt ze uit het centrale gebied, het verminderen van de dichtheid, analoog aan een popcornmachine waarin korrels elkaar raken terwijl ze knallen, waardoor ze vanaf de onderkant van de machine omhoog vliegen. Voor sterk oplichtende sterrenstelsels zoals de Melkweg, Thermalisatie trekt de deeltjes in de diepe potentiaalbron van de lichtgevende materie en verhoogt de dichtheid van donkere materie. In aanvulling, de kosmologische assemblagegeschiedenis van halo's speelt ook een rol bij het genereren van de waargenomen diversiteit.

"Ons werk toont aan dat donkere materie sterke zelfinteracties kan hebben, een radicale afwijking van de heersende theorie, " zei Yu. "Het verklaart goed de waargenomen diversiteit van galactische roterende krommen, terwijl het consistent is met andere kosmologische waarnemingen."

Donkere materie vormt ongeveer 85 procent van de materie in het heelal, maar de aard ervan blijft grotendeels onbekend ondanks zijn onmiskenbare gravitatie-afdruk op astronomische en kosmologische waarnemingen. De conventionele manier om donkere materie te bestuderen is om aan te nemen dat het een aantal extra, niet-gravitationele interactie met zichtbare materie die in het laboratorium kan worden bestudeerd. Natuurkundigen weten het niet, echter, als zo'n interactie tussen donkere en zichtbare materie al bestaat.

Over de afgelopen tien jaar, Yu heeft een nieuwe onderzoekslijn ontwikkeld op basis van het volgende uitgangspunt:afgezien van de vraag of donkere materie interageert met zichtbare materie, wat gebeurt er als donkere materie met zichzelf interageert door een nieuwe duistere kracht?

Yu stelde dat de nieuwe duistere kracht de verdeling van donkere materie in de halo van elk sterrenstelsel zou beïnvloeden. Hij realiseerde zich dat er inderdaad een discrepantie bestaat tussen CDM en astronomische waarnemingen die zou kunnen worden opgelost als donkere materie zelf-interactie is.

"De compatibiliteit van deze hypothese met waarnemingen is een grote vooruitgang in het veld, " zei Flip Tanedo, een assistent-professor theoretische deeltjesfysica aan UC Riverside, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het SIDM-paradigma is een brug tussen fundamentele deeltjesfysica en waarnemingsastronomie. De consistentie met waarnemingen is een grote hint dat dit voorstel een kans heeft om correct te zijn en de basis legt voor toekomstige waarnemingen, experimenteel, numeriek, en theoretisch werk. Op deze manier, het maakt de weg vrij voor nieuw interdisciplinair onderzoek."

SIDM werd voor het eerst voorgesteld in 2000 door een paar eminente astrofysici. Het beleefde een opleving in de deeltjesfysica-gemeenschap rond 2009, mede geholpen door sleutelwerk van Yu en medewerkers.

"Dit is een speciale tijd voor dit soort onderzoek omdat numerieke simulaties van sterrenstelsels eindelijk een precisie naderen waarbij ze concrete voorspellingen kunnen doen om de waarnemingsvoorspellingen van de zelf-interactie versus koude donkere materie scenario's te vergelijken, " zei Tanedo. "Op deze manier, Hai-Bo is de architect van moderne zelf-interagerende donkere materie en hoe het meerdere verschillende velden samenvoegt:theoretische hoge-energiefysica, experimentele hoge-energiefysica, observatie astronomie, numerieke simulaties van astrofysica, en de vroege kosmologie van het universum en de vorming van sterrenstelsels."

Het onderzoekspaper is opgenomen door: Fysieke beoordelingsbrieven als een "Editor's Suggestion" en ook te zien in APS Physics.