Vědci z HKU a BNU testují teorii chlupaté temné hmoty pomocí gravitačního čočkování

Vědci z Hongkongské univerzity (HKU) ve spolupráci s výzkumným týmem z Pekingské normální univerzity (BNU) vyvinuli nový přístup k testování takzvané chlupaté temné hmoty, tedy modelu ultralehké temné hmoty, pomocí gravitačního čočkování. Jde o dosud nejrealističtější metodu, která umožňuje předpovídat, jak by se tento typ temné hmoty projevil na obrazech vzdálených galaxií zdeformovaných gravitačním polem hmotných objektů v popředí.

Temná hmota tvoří většinu hmoty ve vesmíru, ale její přesná podstata zůstává jednou z největších neznámých moderní fyziky. Standardní model počítá s chladnou temnou hmotou složenou z hypotetických těžkých částic, existují ale i alternativní teorie. Jednou z nich je právě takzvaná chlupatá temná hmota, která předpokládá extrémně lehké částice s vlnovou povahou. Na rozdíl od klasické představy částic chovajících se jako body tak tato hmota vytváří jemné, vlnám podobné struktury, které se mohou lišit od hladkého rozložení hmoty predikovaného standardním modelem.

Právě tyto rozdíly ve struktuře by měly být pozorovatelné pomocí gravitačního čočkování, jevu, při němž hmota v popředí ohýbá světlo vzdálenějších objektů a vytváří zkreslené, znásobené nebo zjasněné obrazy galaxií či kvasarů. Pokud by temná hmota skutečně měla vlnovou, hrbolatou strukturu, měla by zanechávat charakteristické stopy právě v podobě těchto čočkovaných obrazů.

Tým z HKU a BNU se soustředil na vytvoření modelu, který tyto předpovědi počítá přímo z trojrozměrných vlnových simulací chlupaté temné hmoty. Jde o první studii svého druhu, která odvozuje předpovědi gravitačního čočkování přímo z takových simulací, místo aby vycházela z zjednodušených analytických aproximací, jak tomu bylo u dřívějších přístupů. Díky tomu je model podstatně realističtější a lépe odráží skutečné chování hmoty popsané touto teorií.

Dosavadní pokusy testovat chlupatou temnou hmotu pomocí čočkování často narážely na výpočetní náročnost. Simulace vlnové temné hmoty ve třech rozměrech vyžadují enormní množství výpočetního výkonu, protože je potřeba zachytit jemné interferenční vzory vznikající z vlnové povahy částic. Vědci z HKU a BNU se tento problém rozhodli řešit kombinací pokročilých simulací s metodami, které umožňují extrahovat z nich přímo předpovědi pozorovatelných jevů, tedy konkrétně podoby čočkovaných obrazů galaxií.

Výsledný přístup by měl v budoucnu pomoci astronomům rozlišit mezi standardním modelem chladné temné hmoty a alternativními teoriemi, jako je právě chlupatá temná hmota, a to na základě reálných pozorovacích dat z teleskopů. Gravitační čočkování je již dnes běžně využívaným nástrojem kosmologie, protože umožňuje mapovat rozložení hmoty ve vesmíru i tam, kde ji nelze pozorovat přímo, jelikož nevyzařuje ani nepohlcuje světlo.

Pokud by se v budoucích pozorováních podařilo zachytit charakteristické stopy vlnové struktury temné hmoty v čočkovaných obrazech, šlo by o silný důkaz ve prospěch teorie chlupaté temné hmoty. Naopak absence takových stop by podpořila standardní model založený na chladné temné hmotě. Nový přístup vyvinutý týmy z Hongkongu a Pekingu tak nabízí konkrétní nástroj, jak tuto otázku testovat s daty, která budou k dispozici z existujících i připravovaných astronomických přehlídek.

Studie zapadá do širšího trendu v kosmologii, kdy vědci hledají stále přesnější metody, jak omezit vlastnosti temné hmoty pomocí nepřímých pozorovacích efektů. Vzhledem k tomu, že přímá detekce částic temné hmoty se dosud nepodařila navzdory desítkám let experimentálního úsilí, se pozornost stále více obrací k astrofyzikálním metodám, jako je právě gravitační čočkování, které umožňují testovat různé teoretické modely na základě jejich odlišných predikcí pro strukturu vesmíru.

Práce týmů z HKU a BNU tak představuje metodologický krok vpřed, který by mohl v následujících letech přispět k lepšímu pochopení jedné z nejzásadnějších otázek moderní fyziky, totiž z čeho se skutečně skládá převažující část hmoty ve vesmíru.