Кіріспе
Физикадағы қараңғы материяның гипотетикалық түрі
Космология мен физикада суық қара материя (CDM) – қараңғы материяның гипотетикалық түрі. Космологияның қазіргі стандартты моделі, Ламбда CDM моделі бойынша, ғаламның шамамен 27%-ы қараңғы материя, 68%-ы қараңғы энергияны құрайды, ал тек шамалы бөлігі жұлдыздар, планеталар және тірі организмдерді құрайтын қалыпты бариондық материя болып табылады. "Суық" термині қара материяның жарық жылдамдығымен салыстырғанда баяу қозғалатынын, нәтижесінде оның күй теңдеуінің нөлге жуық болатынын көрсетеді. "Қараңғы" болғаны оның қалыпты материямен және электромагниттік сәулеленумен өте әлсіз әрекеттесетінін білдіреді. CDM кандидаттары ретінде әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер, алғашқы қара тесіктер және аксиондар қарастырылады.
Тарих
1982 жылы Джеймс Пиблс қараңғы материяның суық түрі туралы теорияны жариялады. Ал, бір уақытта Дж. Ричард Бонд, Алекс Сзэлей және Майкл Тернер, сондай-ақ Джордж Блюментал, Х. Пейджлс және Джоэл Примак қараңғы материяның жылы түрі туралы ұсыныс жасады. 1984 жылы Блюментал, Сандра Мур Фабер, Примак және Мартин Рис жазған шолу мақаласы осы теорияның толық мәліметтерін жетілдірді.
Құрылымның қалыптасуы
Суық қара материя теориясында құрылым иерархиялық түрде өседі, алғаш кіші денелер өздік гравитациясының әсерінен жирылып, одан әрі үздіксіз иерархия бойынша бірігіп, ірі және массивті денелерді құрайды. Суық қара материя парадигмасының болжамдары, космологиялық ірі масштабты құрылымды бақылаулармен көбінесе сәйкес келеді. 1980-ші жылдардың басында танымал болған, бірақ 1990-шы жылдары бұрынғысынша танымал болмаған ыстық қара материя парадигмасында құрылым иерархиялық түрде (төменнен жоғарыға) емес, фрагментация (жоғарыдан төменге) арқылы қалыптасады, ең ірі суперкластерлер алдымен жалпақ, құймақ тәрізді жапырақтар түрінде пайда болып, кейін кішірек бөліктерге – біздің Галактикамыз Сарыжол сияқты – бөлінеді. 1980-ші немесе 1990-шы жылдардан бері көптеген космологтар суық қара материя теориясын (әсіресе қазіргі заманғы ΛCDM моделін) ғаламның ерте замандағы тегіс бастапқы күйден (космостық микротолқынды сәулеленуде көрсетілгендей) бүгінгі галактикалар мен олардың кластерлерінің теңсіз таралуына – ғаламның ірі масштабты құрылымына қалай өзгергенін сипаттау үшін пайдаланады. Шағын галактикалар осы теория үшін маңызды, олар ерте ғаламдағы кіші масштабты тығыздық ауытқулары арқылы пайда болған; қазір олар ірі құрылымдарды құрайтын табиғи құрылыс блоктарына айналды.
Құрамы
Қара материя оның қалыпты материямен және сәулемен гравитациялық өзара әрекеттесуі арқылы анықталады. Сондықтан суық қара материяның құрамында қандай заттар бар екенін анықтау өте қиын. Күдіктілер шамамен үш санатқа бөлінеді:
Аксиондар – өте жеңіл бөлшектер, олардың өзіндік өзара әрекеттесуінің ерекше түрі бар, бұл оларды CDM-ға қолайлы кандидат етеді. 2010 жылдардың соңынан бері аксиондар қара материяның ең перспективті кандидаттарының біріне айналды. Аксиондардың теориялық артықшылығы бар, олардың болуы кванттық хромодинамикадағы күшті CP мәселесін шешеді, бірақ аксион бөлшектері тек теориялық тұрғыда болжалды және ешқашан анықталған жоқ. Аксиондар – WISP (әлсіз өзара әрекеттесетін «жұқа» немесе «тар» бөлшектер) деп аталатын бөлшектердің жалпы санатының мысалы, олар WIMP-тің төмен массалы аналогтары болып табылады. Массивті, ықшам галактык объектілер (MACHO) – қара тесіктер, нейтронды жұлдыздар, ақ ергежейлілер, өте әлсіз жұлдыздар немесе планеталар сияқты жарық шығармайтын объектілер сияқты ірі, конденсатталған объектілер. Бұл объектілерді іздеу гравитациялық линзалауды пайдаланып, олардың фондық галактикаларға тигізетін әсерін анықтаудан тұрады. Көптеген сарапшылар осы іздеулердің шектеулері MACHO-ны қара материяның мүмкін кандидаты ретінде жоққа шығарады деп санайды. Әлсіз өзара әрекеттесетін массивті бөлшектер (WIMP). Қазіргі таңдағыда қажетті қасиеттері бар белгілі бөлшектер жоқ, бірақ бөлшектер физикасының стандартты моделінің көптеген кеңейтімдері осындай бөлшектердің болуын болжайды. WIMP-терді іздеу жоғары сезімтал детекторлармен тікелей анықтауға, сондай-ақ бөлшектер үдеткіштерінде WIMP-терді өндіруге бағытталған. Тарихи тұрғыдан алғанда, WIMP-тер қара материяның құрамына ең перспективті кандидаттардың бірі саналды.
Қисық шаң проблемасы
Суық қара материя симуляцияларындағы қара материя галоларының тығыздық таралуы (кем дегенде бариондық кері байланыстың әсерін ескермейтін) галактикалардың айналу қисықтарын зерттеу арқылы байқалатынға қарағанда әлдеқайда өткір болады.
Карлик галактикалар проблемасы
Суық қара материяның модельдеулері галактикалар, мысалы Самағал тәрізділердің маңында байқалатын шағын галактикалардың санынан артық, көптеген кішкентай қара материя галоларын болжайды.
Спутник дискісімен проблема
Құс жолы мен Андромеда галактикаларының маңындағы кішкентай галактикалар жұқа, жазық құрылымдарда айналып жүргені байқалады, бірақ модельдеулер олардың ана галактикаларының айналасында кездейсоқ таралуын болжайды.
Жоғары жылдамдықты галактикалар проблемасы
NGC 3109 қауымдастығындағы галактикалар ΛCDM моделі болжағаннан әлдеқайда жылдам алыстап барады. Осы модель бойынша, NGC 3109 жергілікті топтан тым ауыр және алыс болғандықтан, оны Құс жолы немесе Андромеда галактикасының қатысуымен үш денелік әрекеттесу нәтижесінде шығарып тастау мүмкін емес.
Галактиканың морфологиясы проблемасы
Егер галактикалар иерархиялық түрде өскен болса, онда массивті галактикалар көптеген бірігуді қажет етеді. Ірі бірігулер сөзсіз классикалық ірілі-ұсақтылық құрайды. Керісінше, байқалған галактикалардың шамамен 80% мұндай ірілі-ұсақтылықтардың жоқтығын көрсетеді, ал алып таза диск галактикалары жиі кездеседі. Бұл қайшылықты бүгінгі галактикалар пішіндерінің байқалған таралуын ΛCDM аясындағы жоғары ажыратымды гидродинамикалық космологиялық модельдеулердің болжамдарымен салыстыру арқылы анықтауға болады, бұл модельдеулердің ажыратымдылығын жақсартумен шешілмейтін маңызды мәселені көрсетеді. Ірілі-ұсақтылықтары жоқ галактикалардың үлесі 8 миллиард жыл бойы тұрақты болды.
Жылдам галактикалар панелі мәселесі
Егер галактикалар ауыр суық қара материяның кеңінен жайылған галоларында орналасқан болса, онда олардың орталық аймақтарында көбінесе қалыптасатын сырғалар галомен динамикалық үйкеліс салдарынан баяулайтын болар еді. Бұл байқалған галактикалардың сырғаларының әдетте жылдам болуымен қатысты күрт қайшылық тудырады.
Шағын ауқымды дағдарыс
Модельді бақылаулармен салыстыру кіші галактикалар деңгейінде кейбір қиындықтарға тап болуы мүмкін, бұл галактикалардың ең ішкі аймақтарында тым көп шағын галактикалар мен қара материяның болуын болжауына әкелуі мүмкін. Бұл мәселе "кішкентай масштабтағы дағдарыс" деп аталады. Компьютерлік модельдеулерде осы кішкентай масштабтарды шешу қиын болғандықтан, мәселенің модельдеулерде, қара материяның стандартты емес қасиеттерінде немесе модельдегі түбірлі қатеде болуы әлі анық емес.
Қызыл жаққа ығысуы жоғары галактикалар
Джеймс Уэбб ғарыш телескопының бақылаулары нәтижесінде спектроскопия арқылы жоғары қызыл жылжумен расталған түрлі галактикалар табылды, мысалы, JADES GS z13 0 13.2 космологиялық қызыл жылжуда. Спектроскопиялық тексеру арқылы расталмаған басқа кандидат галактикалардың ішінде 16.7 космологиялық қызыл жылжудағы CEERS 93316 галактикасы бар. Ерте ғаламдағы галактикалардың осындай қарқынды қалыптасуы қазіргі Ламбда CDM моделінде қараңғы материя галолары арқылы галактикалардың қалыптасуына рұқсат етілген қарқынға қайшы келеді, себебі галактикалардың қалыптасуы 100% тиімді болған жағдайда және Ламбда CDM-дегі барлық масса жұлдыздарға айналуға мүмкіндік берілгенімен, мұндай ірі галактикаларды жасау жеткіліксіз болар еді. Дегенмен, бұл жұлдыздық бастапқы масса функциясына байланысты. Егер ертедегі жұлдыздардың қалыптасуы массивті жұлдыздарға басымдық берген болса, онда бұл қайшылықты түсіндіруге болады.