Bildekreditt: Berkeley
Mørk materie er en usynlig glorie av materiale som ser ut til å omgi hver galakse. Til nå trodde astronomer at mørk materie sannsynligvis dannet en jevn tåke av partikler i verdensrommet, men forskere fra UC Berkeley og MIT har laget en datasimulering av hvordan mørk materie kan klumpe seg sammen til større biter av materiale.
Den "mørke materien" som består av en uoppdaget fjerdedel av universet, er ikke en enhetlig kosmisk tåke, sier et universitet i California, Berkeley, astrofysiker, men danner i stedet tette klumper som beveger seg som støvmoter som danser i en skaft av lys.
I et papir som ble sendt denne uken til Physical Review D, beviser Chung-Pei Ma, en førsteamanuensis i astronomi ved UC Berkeley, og Edmund Bertschinger ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) at bevegelsen av mørke stoffklumper kan modelleres i en måte som ligner på den brune bevegelsen av luftbåret støv eller pollen.
Funnene deres skulle gi astrofysikere en ny måte å beregne utviklingen av dette spøkelsesuniverset av mørk materie og forene det med det observerbare universet, sa Ma.
Mørk materie har vært et irriterende problem for astronomi i mer enn 30 år. Stjerner i galakser og galakser i klynger beveger seg på en måte som indikerer at det er mer materie der enn vi kan se. Denne usettede saken ser ut til å være i en sfærisk glorie som strekker seg sannsynligvis 10 ganger lenger enn den synlige stjernen glorie rundt galakser. Tidlige forslag om at den usynlige saken består av utbrente stjerner eller tunge nøytrinoer, har ikke panorert, og de nåværende favorittkandidatene er eksotiske partikler, forskjellige kalt neutrilino, aksjoner eller andre hypotetiske supersymmetriske partikler. Fordi disse eksotiske partiklene interagerer med vanlig stoff bare gjennom tyngdekraften, ikke via elektromagnetiske bølger, avgir de ikke noe lys.
"Vi ser bare halvparten av alle partikler," sa Ma. "De er for tunge til å produsere nå i gasspedaler, så halvparten av verden vet vi ikke om."
Bildet ble bare verre for fire år siden da "mørk energi" ble funnet å være enda mer utbredt enn mørk materie. Den kosmiske kontoen knytter nå mørk energi til rundt 69 prosent av universet, eksotisk mørk materie på 27 prosent, hverdagslig mørk materie - svake, usett stjerner - på 3 prosent, og det vi faktisk ser på bare 1 prosent.
Basert på datamodeller om hvordan mørk materie ville bevege seg under tyngdekraften, sa Ma at mørk materie ikke er en enhetlig tåge som omslutter klynger av galakser. I stedet danner mørk materie mindre klumper som ser overfladisk ut som galakser og kuleklynger vi ser i vårt lysende univers. Den mørke saken har et dynamisk liv uavhengig av lysstoff, sa hun.
"Den kosmiske mikrobølgebakgrunnen viser de tidlige effektene av mørk materieklumping, og disse klumpene vokser under gravitasjonsattraksjon," sa hun. ”Men hver av disse klumpene, glorie rundt galakse-klynger, ble antatt å være jevn. Folk var fascinerte av å finne at simuleringer med høy oppløsning viser at de ikke er jevne, men i stedet har intrikate understrukturer. Den mørke verden har et eget dynamisk liv. ”
Ma, Bertschinger og UC Berkeley-studenten Michael Boylan-Kolchin utførte noen av disse simuleringene selv. Flere andre grupper de siste to årene har også vist lignende klump.
Spøkelsesuniverset av mørk materie er en mal for det synlige universet, sa hun. Mørk materie er 25 ganger rikere enn bare synlig materie, så synlig materie bør klynges uansett hvor mørk materie klynger.
Der ligger problemet, sa Ma. Datasimuleringer av utviklingen av mørk materie forutsier langt flere klumper av mørk materie i en region enn det er klumper av lysstoff vi kan se. Hvis lysstoff følger mørk materie, bør det være nesten like mange antall av hver.
"Galaksen vår, Melkeveien, har omtrent et titalls satellitter, men i simuleringer ser vi tusenvis av satellitter av mørk materie," sa hun. "Mørk materie i Melkeveien er et dynamisk, livlig miljø der tusenvis av mindre satellitter av mørk materieklumper svirrer rundt en halo av mørk materie, og hele tiden interagerer og forstyrrer hverandre."
I tillegg ble astrofysikere som modellerte bevegelsen av mørk materie forundret over å se at hver klump hadde en tetthet som nådde toppen i sentrum og falt av mot kantene på nøyaktig samme måte, uavhengig av størrelsen. Denne universelle tetthetsprofilen ser imidlertid ut til å være i konflikt med observasjoner av noen dverggalakser laget av Ma's kollega, UC Berkeley professor i astronomi Leo Blitz, og hans forskergruppe, blant andre.
Ma håper at en ny måte å se på bevegelsen av mørk materie vil løse disse problemene og firkanteteorien med observasjon. I sin Physical Review-artikkel, diskutert på et møte tidligere i år i American Physical Society, beviste hun at bevegelsen av mørk materie kan modelleres omtrent som den browniske bevegelsen som botanikeren Robert Brown beskrev i 1828 og Albert Einstein forklarte i en seminal 1905 papir som hjalp med å skaffe ham Nobelprisen i fysikk fra 1921.
Brownsk bevegelse ble først beskrevet som sikksakkstien som ble reist av et korn med pollen som svevde i vann, presset rundt av vannmolekyler som kolliderte med den. Fenomenet refererer likt til bevegelsen av støv i luft og tette klumper av mørk materie i mørke materieuniverset, sa Ma.
Denne innsikten "la oss bruke et annet språk, et annet synspunkt enn standardvisningen," for å undersøke bevegelsen og utviklingen av mørk materie, sa hun.
Andre astronomer, som UC Berkeley emeritus professor i astronomi Ivan King, har brukt teorien om Brownsk bevegelse for å modellere bevegelsen til hundretusener av stjerner i stjerneklynger, men dette, sa Ma, "er første gang den er brukt strengt til store kosmologiske skalaer. Tanken er at vi ikke bryr oss nøyaktig hvor klumpene er, men snarere hvordan klumper oppfører seg statistisk i systemet, hvordan de sprer gravitasjonelt. "
Ma bemerket at den browniske bevegelsen av klumper styres av en ligning, Fokker-Planck-ligningen, som brukes til å modellere mange stokastiske eller tilfeldige prosesser, inkludert aksjemarkedet. Ma og samarbeidspartnere jobber for tiden med å løse denne ligningen for kosmologisk mørk materie.
"Det er overraskende og herlig at utviklingen av mørk materie, utviklingen av klumper, adlyder en enkel, 90 år gammel ligning," sa hun.
Arbeidet ble støttet av National Aeronautics and Space Administration.
Originalkilde: UC Berkeley
