Дослідники Університету Ньюкасла використали інформацію, отриману в результаті дослідження ультрахолодних атомних конденсатів Бозе-Ейнштейна, щоб проаналізувати поведінку нечіткої темної матерії, нової моделі космологічної темної матерії, яка нещодавно привернула увагу космологів. Вони виявили, що фізичний стан ядра гало нечіткої темної матерії, гравітаційно пов’язаних структур, у яких, як вважають, утворюються галактики, подібні до нашої, такий самий, як у конденсатів Бозе-Ейнштейна (BEC), утворених у лабораторних атомних пастках.

Міждисциплінарна група також виявила, що нечітка темна матерія, яка оточує ядра гало, перебуває в турбулентному стані з вихорами та флуктуаціями, які перешкоджають когерентності в усьому гало. Ці властивості відрізняють нечітку темну матерію від більш широко прийнятої моделі холодної темної матерії, в якій немає когерентних особливостей і квантових вихорів.

Вчені продемонстрували, що центри гало темної матерії в цій новій моделі нечіткої темної матерії є практично гігантськими BEC, що простягаються не на мільйонні частки метрів (мікрометрів), як у типових холодних атомних системах, а на тисячі світлових років (еквівалентно десяткам мільйонів ) . мільярдів кілометрів), що охоплює центри галактик і демонструє властивість, характерну для квантових систем і BEC, яка називається когерентністю. Дослідження також описує внутрішні рухи зовнішніх ореолів і кінетичну енергію темної матерії там, що породжує заплутаний клубок квантових вихорів з характерними профілями щільності в їх ядрах. Їхні висновки були опубліковані в журналі Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Зустріч двох дисциплін

Космологія має справу з дуже великими масштабами в природі, від сфер галактик і скупчень галактик до всього доступного для спостереження Всесвіту. Космологи проводять спостереження за Всесвітом, очевидно, не в змозі проводити експерименти, і основною природною силою, яка їх цікавить, є гравітація. Такі спостереження виявили, що більша частина матерії, з якої складається космос, не схожа на ту, з якої складаються люди, планети та зірки, і складається з невідомої речовини, яку за браком кращого слова називають темною матерією.

Ультрахолодна атомна фізика, з іншого боку, описує поведінку хмар атомів, таких як гази рубідію, калію та натрію, як правило, у мільйонних частках градуса вище абсолютного нуля в лабораторіях по всьому світу, і досліджує явища, які розкривають квантову природу справа.

Дослідження об’єднало ці дві дисципліни під керівництвом доктора Герасимоса Рігопулоса з університету Ньюкасла та професора Ніка Проукакіса, теоретиків космології та ультрахолодної атомної фізики відповідно. До команди також увійшли науковий співробітник доктор І-Канг (Гері) Лю, який нещодавно закінчив стипендію Марії Кюрі на цю тему, доктор Алекс Сото та доктор філософії. студент Мілош Інджин.

Доктор Рігопулос, старший викладач прикладної математики, сказав: «Космологи вже кілька років вивчають нечітку темну матерію, але в нашій роботі ми застосували концепції з вивчення динаміки BEC, яка існує набагато довше. Зараз ми розуміти, що існують певні подібності з BEC, і кінцева мета полягає в тому, щоб використати ці знання, щоб розробити шляхи для кращого тестування цієї нової та захоплюючої моделі під час спостережень».

«Я завжди приділяв увагу міждисциплінарним підходам у фізиці, і це було ідеальною проблемою для вирішення під таким кутом зору. Встановлення спільної мови зайняло деякий час, але ми бачили з самого початку, навіть коли ми задумували цей проект, що коли ти виходиш із зони комфорту і намагаєшся подивитися на речі з нової точки зору, можна отримати винагороду. Я думаю, що наша наполегливість окупилася, і ми лише подряпали поверхню того, що таке співробітництво може зробити».

Професор Проукакіс, професор квантової фізики та рішучий прихильник універсальних властивостей таких форм квантової когерентності, додав: «Це фантастика бачити ще одну правдоподібну реалізацію системи, яка демонструє конденсацію Бозе-Ейнштейна: це неймовірно бачити, оскільки ми зараз маємо справу з такою величезною системою, що перевершує уяву тих, хто вперше вивчає це явище в контрольованих лабораторних умовах».

«Хоча створення потенційної імітації гравітаційного тяжіння в контрольованих лабораторних умовах залишається складним/невідомим у тривимірних системах, аналогічні, спочатку здавалися неможливими, проблеми врешті-решт були зустрінуті в таких експериментальних системах. Проста перспектива, навіть якщо мало ймовірна, майбутніх можливостей створення лабораторних умов, що імітують певні аспекти розподілу матерії у Всесвіті, само по собі захоплююче».

«Більше того, навіть у якості теоретичного майданчика фантастично мати нову систему для моделювання, випробовуючи великий досвід, отриманий від лабораторних конденсатів, і сподіваючись на майбутні спостережні випробування в космології».

Подальші дослідження будуть зосереджені на можливих способах спостереження за такими особливостями нечіткої темної матерії, таким чином поставивши цю модель під більш детальне спостереження.

Вчені готують низку подальших публікацій, завершивши дослідження, яке демонструє теоретичну подібність рівнянь, що керують моделлю нечіткої темної матерії, з рівняннями, що використовуються при вивченні того, як конденсація Бозе-Ейнштейна розвивається в лабораторії, коли атомарні гази охолоджуються до поблизу абсолютного нуля.

Зараз вони використовують висновки з усталених теорій, розроблених для опису холодних атомів, щоб математично об’єднати звичайну холодну темну матерію та нові моделі нечіткої темної матерії, а також вивчають наслідки та, у довгостроковій перспективі, спостережні зонди таких знахідок.