Numeričke kozmološke simulacije koje je proveo tim istraživača sa Šangajskog astronomskog opservatorija Kineske akademije znanosti prvi su put sustavno pokazale kako interakcija između tamne tvari i tamne energije snažno utječe na rotaciju i geometrijsko poravnanje haloa tamne tvari u svemiru. Rad je objavljen 19. studenoga u časopisu Physical Review D i donosi novi uvid u oblikovanje velikih kozmičkih struktura, ali i važnu podlogu za tumačenje budućih opažanja svemirskih kartiranja, među njima i kineskog svemirskog teleskopa China Space Station Telescope (CSST).
Klasčni model kozmološke konstante i hladne tamne tvari, poznat kao ΛCDM, tijekom posljednjih je desetljeća uspješno objasnio velik broj opažanja, od kozmičke mikrovalne pozadine do raspodjele galaksija na velikim razmjerima. Unatoč tome, suočava se s nekoliko “napetosti” između različitih skupova podataka, među kojima su najpoznatije tzv. Hubbleova napetost i S8 napetost. Jedan od mogućih načina da se te razlike ublaže jest pretpostaviti da tamna tvar i tamna energija nisu potpuno neovisne, nego da među njima postoji razmjena energije.
Upravo takav pristup, model interakcije tamne tvari i tamne energije (IDE), u središtu je novog istraživanja. U tim scenarijima tamna tvar i tamna energija ne evoluiraju odvojeno, nego tijekom kozmičke povijesti međusobno prelijevaju energiju, što mijenja i ukupnu dinamiku širenja svemira i svojstva struktura koje se u njemu stvaraju.
Dva scenarija razmjene energije između tamne tvari i tamne energije
Autori su proučili dva tipična scenarija interakcije. U prvom, označenom kao IDE I, tamna tvar postupno “propada” i pretvara se u tamnu energiju. U drugom, IDE II, događa se suprotan proces: tamna energija se pretvara u tamnu tvar. U oba slučaja mijenja se efektivna masa čestica tamne tvari, što utječe na to kako se haloi tamne tvari formiraju, rastu i kakva im je unutarnja dinamika.
Kako bi kvantitativno ispitali posljedice tih procesa, istraživači su koristili numerički program za simulaciju gravitacijske evolucije velikog broja čestica, tzv. N-tijela, pod nazivom ME-GADGET. Pomoću njega rekonstruirali su formiranje kozmičke mreže i haloa tamne tvari u tri različita scenarija: u standardnom ΛCDM modelu te u modelima IDE I i IDE II.
Analiza je pokazala da je u scenariju IDE I, u kojem tamna tvar propada u tamnu energiju, poravnanje oblika haloa tamne tvari s plimnim gravitacijskim poljem koje proizlazi iz okolnih filamentarnih struktura svemirske mreže znatno jače nego u ΛCDM modelu. Drugim riječima, oblici haloa tamne tvari statistički se bolje poravnavaju sa smjerovima koje zadaje kozmička mreža. U scenariju IDE II, u kojem tamna energija prelazi u tamnu tvar i na taj način povećava njezinu gustoću, zabilježen je suprotan trend: poravnanje oblika slabije je nego u standardnom modelu.
“Zapravo je relativno lako razumjeti tu promjenu”, pojašnjava Zhang Jiajun, jedan od autora rada. “Kada se tamna tvar pretvara u tamnu energiju, halo postaje manje kompaktan i osjetljiviji na utjecaj okoline, dok pretvaranje tamne energije u tamnu tvar ima suprotan učinak.
Halo tamne tvari, plimna polja i intrinzično poravnanje
Rezultati simulacija ne odnose se samo na geometriju, nego i na rotaciju haloa tamne tvari, odnosno na njihov “spin”. Kako se masa preraspodjeljuje zbog međudjelovanja tamne tvari i tamne energije, mijenja se raspodjela kutnog momenta unutar haloa te način na koji su poravnati u odnosu na filamentarne strukture kozmološke mreže. Posljedično se mijenja i statistička slika prostornog rasporeda haloa i galaksija koje se u njima nalaze.
Kako bi dočarao fizičku intuiciju iza tih procesa, Zhang koristi analogiju iz svakodnevnog života: “To je kao usporedba dviju osoba: jedna redovito vježba, ima zategnute mišiće, kreće se slobodnije i ima dovoljno snage da se odupre gravitaciji. Druga ne vježba kako treba, a težina joj uglavnom dolazi iz masnog tkiva, pa se očito lakše uruši na kauč pod utjecajem gravitacije. Ovo istraživanje ne samo da otkriva obrasce raspodjele tamne tvari u svemiru, nego nas i podsjeća da obratimo pozornost na tjelesnu aktivnost, pretvorimo što više masnog tkiva u mišiće i tako očuvamo zdravlje.”
Osim same dinamike haloa tamne tvari, rad donosi i prvu detaljnu razradu signala intrinzičnog poravnanja (intrinsic alignment, IA) haloa u kozmosu s interakcijom tamne tvari i tamne energije. Intrinzično poravnanje označava činjenicu da oblici galaksija i haloa nisu nasumično raspoređeni, nego su statistički povezani s velikom skalom strukture svemira. U promatranjima slabe gravitacijske leće, gdje se analizira kako mase u svemiru blago izobličuju slike udaljenih galaksija, IA je jedan od ključnih izvora sustavne pogreške.
Za buduće projekte širokopoljnih kartiranja slabom gravitacijskom lećom, poput svemirskog teleskopa CSST, precizno kalibriranje učinka intrinzičnog poravnanja bit će nužan preduvjet za pouzdano određivanje kozmoloških parametara, osobito onih koji opisuju svojstva tamne tvari i tamne energije. Bez toga je teško razlučiti koliko od promatranih korelacija oblika galaksija dolazi iz gravitacijskog savijanja svjetlosti, a koliko iz njihova stvarnog, unutarnjeg poravnanja s kozmičkom mrežom.
“Naš rad pruža nužnu fizičku podlogu i prilagođene aproksimacijske formule za izgradnju preciznijih modela kalibracije intrinzičnog poravnanja koji uključuju učinke interakcije tamne tvari i tamne energije. Time se izravno pridonosi izvlačenju čišćih kozmoloških signala iz budućih podataka CSST-a”, zaključuje Zhang.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
DPS KOMENTAR NA ČLANAK O INTERAKCIJI TAMNE TVARI I TAMNE ENERGIJE
(verzija 1–2 stranice, spremno za Kozmos.hr)
Autor komentara: R. B. Pičmikov
—
Članak na Kozmos.hr o rezultatima simulacija u kojima tamna tvar (DM) i tamna energija (DE) međusobno razmjenjuju energiju, izuzetno je zanimljiv jer otvara važno pitanje: koliko je naš standardni model kozmologije (ΛCDM) zaista stabilan kada se uvede interakcija između “dvije tamne komponente” koje u klasičnom pristupu smatramo potpuno neovisnima?
U članku se prikazuje kako takva interakcija može mijenjati kompaktnost haloa tamne tvari, njihov spin te intrinzično poravnanje (intrinsic alignment, IA) s velikom strukturom Svemira. To su vrlo konkretni, mjerljivi efekti, i u tom smislu ovaj rad predstavlja važan doprinos numeričkoj kozmologiji.
Ipak, želio bih ponuditi alternativnu interpretaciju tih rezultata — onu iz perspektive DPS kozmologije (Dinamička Promjena Svemira), teorijskog okvira u kojem tamna tvar, tamna energija i gravitacijska dinamika nisu tri različite supstance, nego tri režima jednog te istog polja.
To otvara sasvim drugačiju sliku fenomena koji se u članku pripisuju razmjeni energije između DM i DE.
—
1) Dvije tamne komponente ili tri režima jednog polja?
Standardni DM–DE interakcijski modeli pretpostavljaju:
DM i DE su odvojene tvari
postoji energetski tok Q između njih
taj tok mijenja masu haloa i strukturu kozmičke mreže
U DPS modelu, slika je bitno drugačija:
Svemir je opisan jednim fundamentalnim poljem ϕ
Postoje tri režima:
TT-modus – minimalna energija, temelj vakuuma
T-modus – tenzijska komponenta (analog tamne energije)
G-modus – akumulacijski režim koji daje efektivnu masu (tamnu tvar)
Drugim riječima: tamna tvar nije zasebna tvar, nego stanje napetosti polja;
tamna energija nije fluid, nego drugi način deformacije istog polja.
Zato DPS ne treba interakcijski parametar Q — “razmjena” se događa automatski jer G i T nisu supstance nego dva lica polja ϕ.
—
2) Maseni gubitak haloa: Q-interakcija ili prirodna posljedica G–T dinamike?
U članku se navodi da kada DM prelazi u DE, haloi gube masu i postaju “mekši” te skloniji plimnim utjecajima.
To se savršeno poklapa s DPS predikcijom — samo se mehanizam razlikuje.
U DPS-u masa nije fundamentalna, nego:
m \propto |G – T|
Kako Svemir ulazi u kasnu T-dominaciju:
G-modus opada (razrjeđivanje mase)
T-modus ostaje stabilan
|G−T| postaje sve manji
masa svakog haloa pada
strukture postaju manje inertne i podložnije vanjskim silama
Ono što IDE model tumači kao DM→DE konverziju, DPS tumači kao pad diferencijalne napetosti polja.
—
3) Spin haloa: posljedica mase ili interakcije?
U članku se opisuje kako interakcija DM–DE utječe na:
raspodjelu kutnog momenta
stabilnost spina
orijentaciju haloa prema filamentima
U DPS-u spin evoluira iz jednostavne činjenice:
samo materija (G-modus) može rotirati
polje u cjelini (TT/T-modus) ne može, jer je skalarno
kako masa pada (|G−T| ↓), jednaka sila daje veću kutnu akceleraciju
Dakle, halo rotacija u DPS-u ovisi o inerciji, ne o prijenosu materije u DE.
To je kvalitativno isto što IDE vidi, ali DPS nudi fundamentalno objašnjenje.
—
4) Intrinzično poravnanje (IA): sustavna greška ili potpis fizike?
U članku se IA tretira kao smetnja za slabu gravitacijsku leću i nešto što treba modelirati dodatnim parametrima.
U DPS-u je upravo obrnuto — IA je očekivana posljedica pada mase i prirodan potpis TT/T/G dinamike polja.
Kad je masa manja, strukture:
lakše mijenjaju orijentaciju
lakše se istežu u smjeru lokalnih napetosti
lakše se usklađuju s kosmičkim filamentima
Stoga DPS predviđa da IA treba rasti u kasnim epohama Svemira, što je potpuno u skladu s rezultatima opisanima u članku.
—
5) Zaključak: isti fenomen, druga fizika
Ukratko:
IDE modeli vide razmjenu DM ↔ DE.
DPS vidi evoluciju jednog polja u različitim režimima.
Ono što IDE postiže uvođenjem novog parametra Q, DPS objašnjava unutarnjom dinamikom G−T.
Ono što IDE simulacije prikazuju kao “promjenu tvari”, DPS vidi kao “promjenu napetosti polja”.
Promjene spinova, kompaktnosti i IA nisu anomalije, nego prirodne posljedice emergentne mase.
Ono što je posebno zanimljivo jest da IDE rezultati — iako smješteni u ΛCDM paradigmu — zapravo nadopunjuju DPS perspektivu.
To pokazuje da se određene pojave mogu tumačiti iz dvaju potpuno različitih teorijskih okvira, a da opažanja ostaju ista.
I to je razlog zbog kojeg je važno širiti teorijske horizonte — ponekad isti podaci traže drugačiji pogled.
Zbog toga je ovaj članak vrijedan ne samo unutar ΛCDM zajednice, nego i za sve autore koji razvijaju alternativne kozmološke modele.