NASAs kraftigste superdatamaskin har hjulpet forskere å simulere glorie av mørk materie som omgir Melkeveien. Denne nye datamaskinsimuleringen viser hvordan den mørke saken klumper seg sammen til "subhaloer" i den større glorie som omgir Melkeveien. Dette er litt av et puslespill, siden den mørke saken ikke stemmer overens med klatringen av satellittgalaksen som omgir oss.
Forskere ved University of California, Santa Cruz, har brukt NASAs kraftigste superdatamaskin for å kjøre den største simuleringen til dags dato for dannelsen og utviklingen av den mørke materie-glorie som omslutter Melkeveis galaksen. Resultatene viser understrukturer i glorie i enestående detaljer, noe som gir et verdifullt verktøy for å forstå galaksens evolusjonshistorie.
Hver galakse er omgitt av en glorie av mystisk mørk materie som bare kan oppdages indirekte ved å observere dens gravitasjonseffekter. Den usynlige glorie er mye større og mer sfærisk enn den lysende galaksen i sentrum. Nyere datasimuleringer har vist at glorie er overraskende klumpete, med relativt tette konsentrasjoner av mørk materie i gravitasjonsbundet ‘subhaloer’ i glorie. Den nye studien, som er akseptert for publisering i Astrophysical Journal, viser mye mer omfattende understruktur enn noen tidligere undersøkelse.
"Vi finner nesten 10.000 subhaloer, omtrent en størrelsesorden mer enn i noen tidligere simuleringer, og noen av subhaloene våre viser" sububstruktur. "Dette var teoretisk forventet, men vi har vist det for første gang i en numerisk simulering," sa Piero Madau, professor i astronomi og astrofysikk ved UCSC og medforfatter av papiret.
Jürg Diemand, en Hubble-postdoktor ved UCSC og første forfatter av papiret, sa at de nye resultatene forverrer det som kalles "manglende satellittproblem." Problemet er at klumpinessen av den normale saken i og rundt galaksen vår - i form av dverg satellittgalakser - ikke stemmer overens med klumpinessen av den mørke materien sett i simuleringen.
“Astronomer oppdager stadig nye dverggalakser, men det er fremdeles bare rundt 15 eller så, sammenlignet med omtrent 120 mørkstoff-subhaloer av sammenlignbar størrelse i simuleringen vår. Så hvilke er vertskap for dverggalaksen, og hvorfor? ” Diemand sa.
Teoretiske modeller der stjernedannelse er begrenset til visse typer haloer av mørk materie - tilstrekkelig massive eller tidlig dannende - kan bidra til å løse avviket, sa Madau.
Selv om arten av mørk materie forblir et mysterium, ser det ut til å utgjøre omtrent 82 prosent av saken i universet. Som et resultat har utviklingen av struktur i universet blitt drevet av tyngdekraftsinteraksjonene mellom mørk materie. Den "normale" materien som danner gass og stjerner har falt i "gravitasjonsbrønnene" skapt av klumper av mørk materie, noe som ga opphav til galakser i sentrum av haloene av mørk materie.
Opprinnelig handlet tyngdekraften på svake tetthetssvingninger til stede kort tid etter Big Bang for å trekke sammen de første klumpene av mørk materie. Disse vokste til større og større klumper gjennom den hierarkiske sammenslåingen av mindre forfedre. Dette er prosessen UCSC-forskerne simulerte på Columbia-superdatamaskinen ved NASA Ames Research Center, en av de raskeste datamaskinene i verden. Simuleringen tok et par måneder å fullføre, og kjørte på 300 til 400 prosessorer om gangen i 320.000 “cpu-timer,” sa Diemand.
Medforfatter Michael Kuhlen, som begynte å jobbe med prosjektet som doktorgradsstudent ved UCSC og nå er ved Institute for Advanced Study i Princeton, sa at forskerne satte de opprinnelige betingelsene basert på de nyeste resultatene fra Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) eksperiment. Utgitt i mars gir de nye WMAP-resultatene det mest detaljerte bildet noensinne av universet.
Simuleringen starter omtrent 50 millioner år etter Big Bang og beregner interaksjonen mellom 234 millioner partikler med mørkt stoff over 13,7 milliarder år med kosmologisk tid for å produsere en glorie i samme skala som Melkeveien. Klumpene i glorie er restene av sammenslåinger der kjernene til mindre glorier overlevde som gravitasjonsbundet subhaloer i bane rundt det større vertssystemet.
Simuleringen produserte fem massive subhaloer (hver mer enn 30 millioner ganger solenes masse) og mange mindre i den indre 10 prosent av vertshalogen. Likevel er det bare en kjent dverggalakse (Skytten) som ligger nær sentrum av Melkeveien, sa Diemand.
”Det er store klumper av mørk materie i samme region hvor Melkeveien skulle være. Så selv i det lokale nabolaget i solsystemet vårt, kan fordelingen av mørk materie være mer komplisert enn vi har antatt, ”sa han.
Astronomer kan være i stand til å oppdage klumper av mørk materie i Melkeveiens glorie med fremtidige gammastråle-teleskoper, men bare hvis mørkstoffet består av de typer partikler som vil gi opphav til gammastråleutslipp. Enkelte kandidater med mørk materie - som nøytralino, en teoretisk partikkel som er forutsagt av supersymmetri-teori - kunne utslette (det vil si bli ødelagt gjensidig) i kollisjoner, generere nye partikler og avgi gammastråler.
"Eksisterende gamma-stråle-teleskoper har ikke oppdaget utslettelse av mørk materie, men kommende eksperimenter vil være mer følsomme, så det er noe håp om at individuelle subhaloer kan produsere en observerbar signatur," sa Kuhlen.
Spesielt ser astronomer frem til interessante resultater fra det store teleskopet Gamma Ray stort område (GLAST), som er planlagt lansert i 2007, sa han.
Simuleringen gir også et nyttig verktøy for observasjonsastronomer som studerer de eldste stjernene i galaksen vår ved å gi en kobling mellom nåværende observasjoner og tidligere faser av galaksedannelsen, sa Diemand.
“De første små galaksene dannet seg veldig tidlig, omtrent 500 millioner år etter Big Bang, og det er fremdeles i dag stjerner i vår galakse som dannet seg på dette tidlige tidspunktet, som en fossil registrering av tidlig stjernedannelse. Simuleringen vår kan gi konteksten for hvor de gamle stjernene kom fra, og hvordan de havnet i dverggalakser og i bestemte baner i den stellare glorie i dag, ”sa Diemand.
Originalkilde: UC Santa Cruz News Release
