Źródło zdjęcia: Berkeley
Ciemna materia to niewidzialna aureola materiału, która wydaje się otaczać każdą galaktykę. Do tej pory astronomowie wierzyli, że ciemna materia prawdopodobnie tworzyła równomierną mgiełkę cząstek w kosmosie, ale naukowcy z UC Berkeley i MIT stworzyli komputerową symulację tego, jak ciemna materia może się zlepiać w większe kawałki materiału.
„Ciemna materia”, która składa się z wciąż niewykrytej jednej czwartej wszechświata, nie jest jednolitą kosmiczną mgłą, mówi astrofizyk z University of California, Berkeley, lecz tworzy gęste kępy, które poruszają się jak drobinki kurzu tańczące w trzonie światło.
W artykule przesłanym w tym tygodniu do Physical Review D, Chung-Pei Ma, profesor astronomii na UC Berkeley i Edmund Bertschinger z Massachusetts Institute of Technology (MIT), udowadniają, że ruch grudek ciemnej materii można modelować w sposób podobny do ruchu Browna w powietrzu pyłu lub pyłku.
Ich odkrycia powinny zapewnić astrofizykom nowy sposób obliczania ewolucji wszechświata-widma ciemnej materii i pogodzenia go z obserwowalnym wszechświatem, powiedziała Ma.
Ciemna materia stanowiła dokuczliwy problem dla astronomii od ponad 30 lat. Gwiazdy w galaktykach i galaktyki w gromadach poruszają się w sposób, który wskazuje, że jest tam więcej materii, niż możemy zobaczyć. Ta niewidzialna materia wydaje się znajdować w kulistej aureoli, która rozciąga się prawdopodobnie 10 razy dalej niż widoczna aureola gwiezdna wokół galaktyk. Wczesne sugestie, że niewidzialna materia składa się z wypalonych gwiazd lub ciężkich neutrin, nie zostały sprecyzowane, a obecnie ulubionymi kandydatami są egzotyczne cząstki, zwane neutrilinami, aksjonami lub innymi hipotetycznymi supersymetrycznymi cząsteczkami. Ponieważ te egzotyczne cząsteczki oddziałują ze zwykłą materią jedynie grawitacyjnie, a nie falami elektromagnetycznymi, nie emitują światła.
„Widzimy tylko połowę wszystkich cząstek” - powiedziała Ma. „Są zbyt ciężkie, by produkować je teraz w akceleratorach, więc połowa świata, o której nie wiemy”.
Obraz pogorszył się dopiero cztery lata temu, kiedy odkryto, że „ciemna energia” jest jeszcze bardziej rozpowszechniona niż ciemna materia. Konto kosmiczne określa teraz ciemną energię w około 69 procentach wszechświata, egzotyczną ciemną materię w 27 procentach, ziemską ciemną materię - ciemne, niewidzialne gwiazdy - w 3 procentach, a to, co widzimy tylko w 1 procentach.
Opierając się na komputerowych modelach ruchu ciemnej materii pod wpływem siły grawitacji, Ma powiedziała, że ciemna materia nie jest jednolitą mgłą otaczającą gromady galaktyk. Zamiast tego ciemna materia tworzy mniejsze grudki, które wyglądają powierzchownie jak galaktyki i gromady kuliste, które widzimy w naszym świetlistym wszechświecie. Powiedziała, że ciemna materia ma dynamiczne życie niezależne od świetlistej materii.
„Kosmiczne tło mikrofalowe pokazuje wczesne skutki zlepiania się ciemnej materii, a te grudki rosną pod wpływem przyciągania grawitacyjnego”, powiedziała. „Ale każda z tych skupisk, aureola wokół gromad galaktyk, była uważana za gładką. Ludzie byli zaintrygowani odkryciem, że symulacje w wysokiej rozdzielczości pokazują, że nie są one gładkie, ale mają skomplikowane podbudowy. Ciemny świat ma własne dynamiczne życie. ”
Michael Boylan-Kolchin, absolwent Ma, Bertschinger i UC Berkeley, sam wykonał niektóre z tych symulacji. Kilka innych grup w ciągu ostatnich dwóch lat również wykazywało podobne skupienia.
Powiedziała, że wszechświat-widmo ciemnej materii jest szablonem dla widzialnego wszechświata. Ciemna materia jest 25 razy liczniejsza niż zwykła widzialna materia, więc widzialna materia powinna gromadzić się wszędzie tam, gdzie gromadzi się ciemna materia.
Na tym polega problem, powiedziała Ma. Symulacje komputerowe ewolucji ciemnej materii przewidują znacznie więcej skupisk ciemnej materii w danym regionie niż widzimy skupiska jasnej materii. Jeśli materia świetlna podąża za ciemną materią, ich liczba powinna być prawie równoważna.
„Nasza galaktyka, Droga Mleczna, ma około tuzina satelitów, ale w symulacji widzimy tysiące satelitów ciemnej materii”, powiedziała. „Ciemna materia w Drodze Mlecznej to dynamiczne, żywe środowisko, w którym tysiące mniejszych satelitów skupisk ciemnej materii krąży wokół halo dużej ciemnej materii macierzystej, nieustannie oddziałując i przeszkadzając sobie nawzajem.”
Ponadto, astrofizyk modelujący ruch ciemnej materii był zaskoczony, aby zobaczyć, że każda kępa ma gęstość, która osiąga szczyt w centrum i spada w kierunku krawędzi dokładnie w ten sam sposób, niezależnie od jej wielkości. Ten uniwersalny profil gęstości wydaje się jednak być sprzeczny z obserwacjami niektórych galaktyk karłowatych dokonanymi między innymi przez kolegę Ma, profesora astronomii UC Berkeleya Leo Blitza i jego grupę badawczą.
Ma nadzieję, że nowy sposób patrzenia na ruch ciemnej materii rozwiąże te problemy i kwadratową teorię dzięki obserwacji. W swoim artykule Physical Review, omówionym na spotkaniu w tym roku w American Physical Society, udowodniła, że ruch ciemnej materii można modelować podobnie jak ruch Browna opisany przez botanika Roberta Browna w 1828 r. I Albert Einstein wyjaśnił w seminarium z 1905 r. artykuł, który pomógł mu zdobyć Nagrodę Nobla z fizyki w 1921 roku.
Ruch Browna został po raz pierwszy opisany jako zygzakowata ścieżka przemieszczana przez ziarno pyłku pływające w wodzie, popychane przez zderzające się z nim cząsteczki wody. To zjawisko odnosi się w równym stopniu do ruchu pyłu w powietrzu i gęstych grudek ciemnej materii we wszechświecie ciemnej materii, powiedziała Ma.
Ta wiedza „używajmy innego języka, innego punktu widzenia niż standardowy”, aby zbadać ruch i ewolucję ciemnej materii, powiedziała.
Inni astronomowie, tacy jak emerytowany profesor astronomii UC Berkeley Ivan King, wykorzystali teorię ruchu Browna do modelowania ruchu setek tysięcy gwiazd w gromadach gwiazd, ale to, jak powiedziała Ma, „to pierwszy raz, gdy została ona zastosowana rygorystycznie do dużych skal kosmologicznych. Chodzi o to, że nie obchodzi nas dokładnie, gdzie są grudki, ale raczej, jak grudki zachowują się statystycznie w systemie, jak rozpraszają grawitacyjnie ”.
Ma zauważyła, że ruch Browna w skupiskach rządzi równaniem, równaniem Fokkera-Plancka, używanym do modelowania wielu procesów stochastycznych lub losowych, w tym giełdy. Ma i współpracownicy pracują obecnie nad rozwiązaniem tego równania dla kosmologicznej ciemnej materii.
„Zaskakujące i zachwycające jest to, że ewolucja ciemnej materii, ewolucja grudek spełnia proste, 90-letnie równanie” - powiedziała.
Prace były wspierane przez National Aeronautics and Space Administration.
Oryginalne źródło: UC Berkeley
