Najmocniejszy superkomputer NASA pomógł badaczom w symulacji halo ciemnej materii otaczającej Drogę Mleczną. Ta nowa symulacja komputerowa pokazuje, jak ciemna materia zlepia się w „subhalos” w większej aureoli otaczającej Drogę Mleczną. To trochę łamigłówka, ponieważ ciemna materia nie pasuje do skupisk otaczających nas galaktyk satelitarnych.
Naukowcy z University of California, Santa Cruz, wykorzystali najpotężniejszy superkomputer NASA do przeprowadzenia największej jak dotąd symulacji powstawania i ewolucji halo ciemnej materii otaczającej galaktykę Mlecznej Drogi. Ich wyniki pokazują podstruktury w halo z niespotykanymi szczegółami, zapewniając cenne narzędzie do zrozumienia historii ewolucji naszej galaktyki.
Każda galaktyka otoczona jest aureolą tajemniczej ciemnej materii, którą można wykryć tylko pośrednio, obserwując jej efekty grawitacyjne. Niewidoczna halo jest znacznie większa i bardziej kulista niż świecąca galaktyka w jej centrum. Ostatnie symulacje komputerowe wykazały, że halo jest zaskakująco grudkowate, ze stosunkowo gęstymi koncentracjami ciemnej materii w grawitacyjnie związanych „subhalosach” wewnątrz halo. Nowe badanie, które zostało zaakceptowane do publikacji w czasopiśmie Astrophysical Journal, wykazuje znacznie szerszą strukturę niż jakiekolwiek poprzednie badanie.
„Znajdujemy prawie 10 000 subhalosów, o około jeden rząd wielkości więcej niż w jakichkolwiek poprzednich symulacjach, a niektóre z naszych subhalos wykazują„ podbudowę ”. Spodziewano się tego teoretycznie, ale pokazaliśmy to po raz pierwszy w symulacji numerycznej”, powiedział Piero Madau, profesor astronomii i astrofizyki na UCSC i współautor artykułu.
Jürg Diemand, stypendysta Hubble'a na UCSC i pierwszy autor artykułu, powiedział, że nowe wyniki zaostrzają tak zwany „problem braku satelity”. Problem polega na tym, że zlepek normalnej materii w naszej galaktyce i wokół niej - w postaci karłowatych galaktyk satelitarnych - nie pasuje do zlepka ciemnej materii widocznej w symulacji.
„Astronomowie odkrywają nowe galaktyki karłowate, ale wciąż jest ich tylko około 15, w porównaniu z około 120 subhalosami ciemnej materii o porównywalnej wielkości w naszej symulacji. Które z nich są gospodarzem galaktyk karłowatych i dlaczego? Powiedział Diemand.
Madau powiedział, że teoretyczne modele, w których formowanie gwiazd jest ograniczone do niektórych rodzajów aureoli ciemnej materii - wystarczająco masywnych lub wczesnych formujących się - mogą pomóc w rozwiązaniu rozbieżności.
Chociaż natura ciemnej materii pozostaje tajemnicą, wydaje się, że stanowi około 82 procent materii we wszechświecie. W rezultacie ewolucja struktury we wszechświecie była napędzana oddziaływaniami grawitacyjnymi ciemnej materii. „Normalna” materia, która tworzy gaz i gwiazdy, spadła do „studni grawitacyjnych” utworzonych przez grudki ciemnej materii, powodując powstanie galaktyk w centrach aureoli ciemnej materii.
Początkowo grawitacja działała na niewielkie fluktuacje gęstości występujące wkrótce po Wielkim Wybuchu, aby zebrać razem pierwsze grudki ciemnej materii. Rosły one w coraz większe skupiska dzięki hierarchicznemu łączeniu mniejszych progenitorów. Jest to proces, który naukowcy z UCSC przeprowadzili symulację na superkomputerze Columbia w NASA Ames Research Center, jednym z najszybszych komputerów na świecie. Symulacja zajęła kilka miesięcy, pracując na 300 do 400 procesorach jednocześnie przez 320 000 „godzin procesorowych”, powiedział Diemand.
Współautor Michael Kuhlen, który rozpoczął pracę nad projektem jako doktorant na UCSC i jest obecnie w Institute for Advanced Study w Princeton, powiedział, że badacze ustalili warunki wstępne na podstawie najnowszych wyników z sondy anizotropii mikrofalowej Wilkinson (WMAP) eksperyment. Nowe wyniki WMAP, opublikowane w marcu, zapewniają najbardziej szczegółowy obraz wszechświata niemowląt.
Symulacja rozpoczyna się około 50 milionów lat po Wielkim Wybuchu i oblicza interakcje 234 milionów cząstek ciemnej materii w czasie 13,7 miliarda lat czasu kosmologicznego, aby wytworzyć aureolę na taką samą skalę jak Droga Mleczna. Kępy w aureoli są pozostałościami fuzji, w których rdzenie mniejszych aureoli przetrwały jako grawitacyjnie związane subhalos orbitujące w obrębie większego systemu gospodarza.
W wyniku symulacji powstało pięć masywnych podhalos (każda ponad 30 milionów razy większa od masy Słońca) i wiele mniejszych w obrębie 10% halo gospodarza. Jednak tylko jedna znana galaktyka karłowata (Strzelec) znajduje się tak blisko centrum Drogi Mlecznej, powiedział Diemand.
„Istnieją duże skupiska ciemnej materii w tym samym regionie, w którym znajdowałby się dysk Drogi Mlecznej. Tak więc nawet w lokalnym sąsiedztwie naszego Układu Słonecznego rozkład ciemnej materii może być bardziej skomplikowany, niż się spodziewaliśmy - powiedział.
Astronomowie mogą być w stanie wykryć grudki ciemnej materii w halo Drogi Mlecznej za pomocą przyszłych teleskopów gamma, ale tylko wtedy, gdy ciemna materia składa się z rodzajów cząstek, które powodowałyby emisję promieniowania gamma. Pewni kandydaci na ciemną materię - jak neutrino, teoretyczna cząstka przewidywana przez teorię supersymetrii - mogą anihilować (to znaczy wzajemnie się niszczyć) w zderzeniach, generując nowe cząstki i emitując promienie gamma.
„Istniejące teleskopy gamma nie wykryły anihilacji ciemnej materii, ale nadchodzące eksperymenty będą bardziej czułe, więc istnieje nadzieja, że poszczególne subhalos mogą wytworzyć zauważalną sygnaturę” - powiedział Kuhlen.
W szczególności astronomowie oczekują interesujących wyników z kosmicznego teleskopu wielkopowierzchniowego Gamma Ray (GLAST), zaplanowanego na start w 2007 roku.
Symulacja stanowi również przydatne narzędzie dla astronomów obserwacyjnych badających najstarsze gwiazdy w naszej galaktyce, zapewniając połączenie między bieżącymi obserwacjami a wcześniejszymi fazami formowania się galaktyki, powiedział Diemand.
„Pierwsze małe galaktyki powstały bardzo wcześnie, około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu, i nadal istnieją dziś gwiazdy w naszej galaktyce, które powstały w tym wczesnym czasie, jak skamielina zapisu wczesnego powstawania gwiazd. Nasza symulacja może dostarczyć kontekst, z którego pochodzą te stare gwiazdy i jak wylądowały one dzisiaj w galaktykach karłowatych i na niektórych orbitach w aureoli gwiezdnej - powiedział Diemand.
Oryginalne źródło: UC Santa Cruz News Release
