Obserwacje astronomiczne zdają sie sugerować, że gaz międzygalaktyczny we Wszechświecie jest nieco gorętszy niż powinien. Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe, aby zaproponować rozwiązanie tego stanu rzeczy – egzotyczną formę ciemnej materii, znaną jako ciemne fotony. Mogą one zmienić się w “zwykłe” fotony, powodując tym samym emisję ciepła. Szczegóły opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Ciemne fotony można znaleźć poprzez obserwacje gazu międzygalaktycznego z bańki Lyman-alfa (LAB), czyli obiektu astronomicznego, który jest rozległym obłokiem wodoru, emitującym linię spektralną Lyman alfa. Największe LAB-y mają średnicę ponad 400 tys. lat świetlnych i są jednymi z największych znanych astronomom.
Mechanizm powstawania LAB-ów nie jest znany, podobnie jak to, czy są one w jakiś sposób związane z pobliskimi galaktykami. Światło podróżujące z LAB-ów do Ziemi musi przebyć daleki dystans. Od czasu do czasu przechodzi ono przez stosunkowo gęstą kępę neutralnego wodoru – rodzaj wodoru, który składa się z jednego protonu i jednego neutronu i który przenika chmury gazowe w całym Wszechświecie. Większość światła przejdzie bez zmian, ale bardzo specyficzna długość fali światła zostanie pochłonięta. Odpowiada ona różnicy energii potrzebnej do przesunięcia elektronu z pierwszego na drugi poziom energetyczny wewnątrz atomu wodoru.
Czytaj też: Fale grawitacyjne kluczem do rozwikłania zagadek Wszechświata
Gdy astronomowie przyjrzą się światłu pochodzącemu od tego obiektu, będzie ono wyglądało inaczej niż zwykle, z wyjątkiem przerwy w długości fali tego specyficznego przejścia energetycznego, znanej jako linia Lyman alfa. Światło z LAB będzie przechodzić przez wiele obłoków i skupisk neutralnego wodoru. Ekspansja Wszechświata sprawia, że przerwy ulegają przesunięciu ku czerwieni do różnych długości fal, przy czym nowa przerwa pojawia się na innej długości fali w zależności od odległości od poszczególnych obłoków gazu. Efektem końcowym jest coś na kształt “lasu”: seria linii i luk w widmie.
Linie spektralne Lyman alfa mogą być wykorzystane do pomiaru temperatury każdego obłoku gazu. Gdyby neutralny wodór był nieruchomy, pojawiłaby się niezwykle cienka linia, ale ponieważ poruszają się one, poszerza się także sama szczelina. Im gorętszy gaz, tym większa energia kinetyczna cząsteczek i tym szersza szczelina (przerwa).
Ciemne fotony rozwiązaniem zagadek Wszechświata
Astrofizycy zwrócili uwagę, że stosując tę metodę “coś” się nie zgadza, a obłoki gazu, które rozpraszają się między galaktykami, są za gorące. Symulacje komputerowe ewolucji tych obłoków gazu przewidują, że są one tylko trochę zimniejsze niż obserwujemy, a więc być może “coś” je ogrzewa. Ale jeżeli faktycznie tak by było, to nie uwzględniamy tego w naszych symulacjach.
Wyjaśnieniem tej rozbieżności może być obecność ciemnych fotonów. To rodzaj hipotetycznej formy ciemnej materii – niewidocznej substancji, która stanowi ok. 80 proc. masy we Wszechświecie, ale nie oddziałuje ze światłem. Nie wiadomo dokładnie, czym mogą być ciemne fotony, ale możliwości jest sporo.
Jeżeli znane nam fotony są nośnikiem elektromagnetyzmu, ciemne fotony mogą być nośnikiem nieznanej nam siły, która oddziałuje na wszystkie składniki Wszechświata. Ciemne fotony miałyby niewielką masę, a więc mogłyby odpowiadać za ciemną materię. W opisanych modelach naukowcy odkryli, że ciemne fotony są zdolne do jeszcze jednej “magicznej” sztuczki: zamiany w zwykłe fotony.
Czytaj też: Ciemna materia, jakiej jeszcze nie widziano. To rekordowe odkrycie
Zamiana ciemnego fotonu w foton jest teoretycznie możliwa, choć rzadka, związana z emisją promieniowania cieplnego. Przeprowadzono już symulacje komputerowe, które potwierdzają, że tak faktycznie może być. To by tłumaczyło, skąd takie różnice w wynikach Lyman alfa, a więc i przewidywalnych oraz mierzonych temperaturach Wszechświata.
