Gravitacijski utjecaj tamne tvari vidi se u svemiru, ali fizičari još ne znaju od čega je ona građena. Ovisno o tome koje je čestice čine, potraga bi mogla voditi prema pojedinačnim sudarima s atomskim jezgrama ili prema valnim učincima na astronomskim udaljenostima.
Hoang Nhan Luu i Chanda Prescod-Weinstein sa Sveučilišta New Hampshire razvili su precizniju računalnu metodu za proučavanje druge mogućnosti. U radu o rekonstrukciji aksionskih oscilacija, objavljenom u rujnu 2026. i još bez stručne recenzije, opisuju kako izračunati titranje polja ultralakih aksiona. Te hipotetske čestice neki modeli razmatraju kao moguću sastavnicu tamne tvari, ali njihovo postojanje još nije potvrđeno.
Da bi iz opservacija mogli prepoznati takav signal, fizičari najprije moraju izračunati kako bi on trebao izgledati. Pojednostavljivanje proračuna može ukloniti dio tog signala ili promijeniti njegova svojstva, pa ni vrlo precizna mjerenja tada ne bi omogućila pouzdanu usporedbu s modelom.
Gravitacija otkriva prisutnost, ali ne i sastav
Kretanje zvijezda i galaksija, gravitacijsko savijanje svjetlosti te svojstva kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja upućuju na prisutnost tvari koju ne vidimo. U standardnom kozmološkom modelu tamna tvar objašnjava tu dodatnu masu, koja se ne može pripisati samo zvijezdama i plinu.
Iz tih se opservacija ipak ne može utvrditi koje čestice čine tamnu tvar. Različiti kandidati mogu proizvesti slične gravitacijske učinke, ali se razlikovati po raspodjeli u svemiru, utjecaju na nastanak kozmičkih struktura i signalima koje bi mogli ostaviti u laboratorijskim detektorima.
Među poznatijim kandidatima su slabo međudjelujuće masivne čestice, ili WIMP-ovi. Detektori poput LUX-ZEPLIN-a traže energiju koju bi takva čestica pri sudaru predala atomskoj jezgri. Aksionski modeli predviđaju drukčija svojstva i druge moguće signale.
Neki istraživači razmatraju i bi li ubrzane atomske jezgre mogle stvarati parove aksiona. Luu i Prescod-Weinstein bave se njihovim mogućim ponašanjem u svemiru: računaju kako bi se polje ultralakih aksiona mijenjalo tijekom kozmičke povijesti.
Val i čestica nisu nespojive mogućnosti
Čestice u kvantnoj fizici imaju i valna svojstva. Pri izboru načina potrage važno je koje bi se od tih svojstava moglo najjasnije očitovati u određenom mjerenju.
U nekim modelima ultralakih aksiona valni bi učinci mogli biti zamjetni i na astronomskim razmjerima. Istraživači zato računaju razvoj cijelog polja, njegovo titranje i utjecaj na ostale sastavnice svemira.
Takav je proračun zahtjevan jer se istodobno moraju pratiti vrlo brze i vrlo spore promjene. Aksionsko polje može titrati mnogo brže nego što se mijenja širenje svemira. Praćenje svakog titraja kroz cijelu kozmičku povijest zahtijevalo bi golem broj računalnih koraka.
Računanje se obično ubrzava tako da se brze promjene zamijene prosječnim vrijednostima, a aksionsko polje približno opiše kao fluid. Pritom se gube pojedinosti o titranju. U nekim metodama prijelaz s potpunog na pojednostavljeni opis stvara i nagle skokove u izračunatim veličinama koji potječu iz samog postupka računanja.
Kako sačuvati brzo titranje
Luu i Prescod-Weinstein primijenili su efektivnu teoriju polja, koja omogućuje računanje važnih učinaka bez izravnog praćenja svake brze promjene. Najprije izračunavaju dio valne funkcije koji se mijenja sporije. Iz njega zatim mogu rekonstruirati brzo titranje aksionskog polja, uključujući relativističke učinke.
U popratnom znanstvenom radu, koji također još nije prošao stručnu recenziju, izveli su jednadžbe prikladne za primjenu u kozmološkim računalnim programima. U radu o numeričkoj primjeni usporedili su novu metodu s potpunim rješenjem i drugim načinima približnog računanja.
U ispitivanim uvjetima rezultati nove metode odstupali su od potpunog rješenja za manje od jedan posto, a proračun je ostao razmjerno brz. Taj postotak opisuje točnost računalne metode, a ne preciznost mjerenja svojstava tamne tvari.
Nova metoda može izbjeći i nagle skokove koji nastaju zamjenom titranja prosječnim vrijednostima. Tako istraživači mogu pratiti promjene polja bez tih prekida i ispitati signale koji bi se u prosjeku izgubili.
Metoda bi se mogla primijeniti pri vrlo preciznom mjerenju vremena dolaska pulsarskih signala. Rekonstrukcija titranja aksionskog polja mogla bi pomoći u određivanju veze između amplitude i faze mogućeg signala, odnosno njegove jačine i položaja unutar ciklusa titranja. Još treba utvrditi bi li se taj učinak mogao izdvojiti u stvarnim opservacijama.
