Hydrodynamical simulations of the merging cluster El Gordo in a two-state self-interacting dark matter scenario

Diep in het uitgestrekte kosmische web, waar sterrenstelsels zich verzamelen in massieve clusters, houdt een verborgen substantie die bekend staat als donkere materie alles bij elkaar. Decennialang was de leidende theorie dat deze onzichtbare materie "koud" en "botsingsloos" is, wat betekent dat deeltjes recht door elkaar heen gaan als geesten, waarbij ze alleen via zwaartekracht met elkaar interageren. Echter, dit standaardbeeld worstelt met het verklaren van bepaalde mysteries op kleine schaal in het universum, wat ertoe heeft geleid dat sommige wetenschappers voorstellen dat donkere materie daadwerkelijk tegen zichzelf aan botst, waarbij het energie en impuls uitwisselt als biljartballen. Dit idee, genaamd zelf-interagerende donkere materie, biedt een potentiële oplossing voor die kleine-schaal puzzels, maar creëert een nieuw probleem: als donkere materie te gemakkelijk botst, zou het duidelijke, meetbare gaten moeten achterlaten tussen de donkere materie en de zichtbare sterrenstelsels tijdens de botsing van clusters van sterrenstelsels. Eén dergelijke cluster, een kolossaal en afstandelijk systeem met de bijnaam "El Gordo", is een bijzonder hoofdpijndossier geweest voor astronomen omdat de donkere materie en de sterrenstelsels in een manier van elkaar gescheiden lijken te zijn die zowel de standaard, spookachtige theorie als de eenvoudigste versies van de botsingstheorie tart.

Om dit kosmische puzzelstuk op te lossen, draaide een onderzoeker aan de International School for Advanced Studies in Italië een enorme reeks computersimulaties om te zien of een complexere versie van zelf-interagerende donkere materie het vreemde gedrag van El Gordo kon verklaren. De studie richt zich op een specifiek scenario waarin deeltjes van donkere materie in twee verschillende toestanden bestaan, vergelijkbaar met hoe een atoom in een grondtoestand of een aangeslagen toestand kan zijn. In dit model kunnen twee deeltjes van donkere materie, wanneer ze botsen, soms energie absorberen om naar die hogere, aangeslagen toestand te springen. Dit proces, bekend als endotherme up-scattering, werkt als een rem op de botsing, waardoor het gedrag van de donkere materie verandert tijdens de gewelddadige botsing van twee clusters van sterrenstelsels. De onderzoeker bouwde een digitale tweeling van El Gordo, een samensmeltend systeem dat zo ver weg is dat we het zien zoals het miljarden jaren geleden was, en testte hoe verschillende soorten interacties van donkere materie in de loop van de tijd zouden verlopen.

De simulaties onthulden dat een eenvoudig model waarbij deeltjes van donkere materie simpelweg elastisch tegen elkaar aan botsen, de observaties van El Gordo niet volledig kan evenaren. Hoewel een dergelijk model zou kunnen verklaren waarom de donkere materie en de sterrenstelsels van elkaar gescheiden zijn, slaagde het er niet in om de juiste vorm van de zwaartekracht van de donkere materie te reproduceren, ook wel het lensing-profiel genoemd, wat de manier is waarop astronomen de massa van deze onzichtbare structuren meten. De sleutel tot het oplossen hiervan was de inclusie van het energie-absorberende up-scattering kanaal. De resultaten toonden aan dat wanneer deeltjes van donkere materie de kans krijgen om energie te absorberen tijdens een botsing, ze een dichtheidsprofiel creëren dat veel beter overeenkomt met de werkelijke metingen. Specifiek vonden de simulaties dat de beste overeenkomst optreedt wanneer de donkere materie een elastische botsingssnelheid heeft van ongeveer 4 tot 6 vierkante centimeter per gram, gecombineerd met een inelastisch, energie-absorberend kanaal dat werkt op een snelheid van ongeveer 2 tot 4 vierkante centimeter per gram, maar alleen wanneer de deeltjes bewegen met snelheden tussen de 1.200 en 1.600 kilometer per seconde.

Deze bevindingen suggereren dat de unieke, hogesnelheidsbotsing van El Gordo, waarbij de twee clusters uit elkaar bewegen met meer dan 2.000 kilometer per seconde, de perfecte omstandigheden biedt voor dit specifieke type interactie van donkere materie om plaats te vinden. De simulaties reproduceerden succesvol de kenmerkende dubbele staartvorm van de röntgenstraling van de cluster en de specifieke verschuivingen tussen de donkere materie, het hete gas en de sterrenstelsels. De auteur merkt echter voorzichtig op dat deze conclusie zeer gevoelig is voor de exacte metingen van de massa van de cluster en de afstand tussen de twee botsende delen. Als toekomstige observaties uitwijzen dat de primaire cluster aanzienlijk lichter is dan momenteel wordt aangenomen, of dat de twee delen verder uit elkaar liggen, voldoet dit specifieke model van zelf-interagerende donkere materie mogelijk niet langer aan de gegevens. De studie betoogt in essentie dat terwijl de standaard "geest"-theorie faalt om de scheiding te verklaren, en eenvoudige "botsende" theorieën falen voor de lensing-test, een twee-toestanden donkere materie die energie kan absorberen tijdens hogesnelheidsbotsingen een overtuigende, zij het complexe, verklaring biedt voor het gedrag van deze kosmische reus.

Uiteindelijk benadrukt dit werk dat de aard van donkere materie sterk afhankelijk kan zijn van de energie van de omgeving waarin het zich bevindt. De onderzoeker suggereert dat toekomstige observaties van andere massieve, hoog-snelheids samensmeltende clusters de beslissende factor zullen zijn om te bevestigen of dit twee-toestanden scenario de ware aard van donkere materie is of slechts een slimme simulatietruc. De studie beweert niet het mysterie van donkere materie eenmaal en voor altijd te hebben opgelost, maar biedt een sterk, toetsbaar kader dat de kloof tussen conflicterende observaties overbrugt en een pad biedt voor astronomen om verschillende theorieën over het onzichtbare geraamte van het universum te onderscheiden.