Ο πιο ισχυρός υπερυπολογιστής της NASA έχει βοηθήσει τους ερευνητές να προσομοιώσουν το φωτοστέφανο της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει τον Γαλαξία μας. Αυτή η νέα προσομοίωση υπολογιστή δείχνει πώς η σκοτεινή ύλη συγκεντρώνεται σε «subhalos» μέσα στο μεγαλύτερο φωτοστέφανο που περιβάλλει τον Γαλαξία μας. Αυτό είναι λίγο παζλ, καθώς η σκοτεινή ύλη δεν ταιριάζει με τη συσσώρευση των δορυφορικών γαλαξιών που μας περιβάλλουν.
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, έχουν χρησιμοποιήσει τον πιο ισχυρό υπερυπολογιστή της NASA για να εκτελέσουν τη μεγαλύτερη προσομοίωση μέχρι σήμερα για τον σχηματισμό και την εξέλιξη του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει τον γαλαξία του Γαλαξία. Τα αποτελέσματά τους δείχνουν υποδομές μέσα στο φωτοστέφανο με άνευ προηγουμένου λεπτομέρειες, παρέχοντας ένα πολύτιμο εργαλείο για την κατανόηση της εξελικτικής ιστορίας του γαλαξία μας.
Κάθε γαλαξίας περιβάλλεται από ένα φωτοστέφανο μυστηριώδους σκοτεινής ύλης που μπορεί να εντοπιστεί έμμεσα μόνο παρατηρώντας τα βαρυτικά του αποτελέσματα. Το αόρατο φωτοστέφανο είναι πολύ μεγαλύτερο και πιο σφαιρικό από τον φωτεινό γαλαξία στο κέντρο του. Πρόσφατες προσομοιώσεις υπολογιστών έδειξαν ότι το φωτοστέφανο είναι εκπληκτικά αδρανές, με σχετικά πυκνές συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης σε βαρυτικά δεσμευμένους «subhalos» μέσα στο φωτοστέφανο. Η νέα μελέτη, η οποία έγινε αποδεκτή για δημοσίευση στο Astrophysical Journal, δείχνει πολύ πιο εκτεταμένη υποδομή από οποιαδήποτε προηγούμενη μελέτη.
«Βρίσκουμε σχεδόν 10.000 subhalos, περίπου μία τάξη μεγέθους περισσότερο από ό, τι σε προηγούμενες προσομοιώσεις, και μερικά από τα subhalos μας παρουσιάζουν« υποδομή ». Αυτό αναμενόταν θεωρητικά, αλλά το δείξαμε για πρώτη φορά σε μια αριθμητική προσομοίωση», είπε. Ο Piero Madau, καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο UCSC και συγγραφέας της εφημερίδας.
Ο Jürg Diemand, μεταδιδακτορικός συνεργάτης του Χαμπλ στο UCSC και πρώτος συγγραφέας της εφημερίδας, δήλωσε ότι τα νέα αποτελέσματα επιδεινώνουν αυτό που είναι γνωστό ως «πρόβλημα δορυφόρου που λείπει». Το πρόβλημα είναι ότι η ακαταστασία της κανονικής ύλης μέσα και γύρω από τον γαλαξία μας –με τη μορφή δορυφορικών γαλαξιών νάνων– δεν ταιριάζει με την αδεξιότητα της σκοτεινής ύλης που φαίνεται στην προσομοίωση.
«Οι αστρονόμοι συνεχίζουν να ανακαλύπτουν νέους γαλαξίες νάνων, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν μόνο περίπου 15 περίπου, σε σύγκριση με περίπου 120 subhalos σκοτεινής ύλης συγκρίσιμου μεγέθους στην προσομοίωσή μας. Ποιοι λοιπόν φιλοξενούν τους νάνους γαλαξίες και γιατί; " Ο Diemand είπε.
Τα θεωρητικά μοντέλα στα οποία ο σχηματισμός αστεριών περιορίζεται σε ορισμένους τύπους φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης - αρκετά μαζικά ή πρώιμα σχηματίζοντας - μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση της ασυμφωνίας, είπε ο Madau.
Αν και η φύση της σκοτεινής ύλης παραμένει ένα μυστήριο, φαίνεται να αντιπροσωπεύει περίπου το 82 τοις εκατό της ύλης στο σύμπαν. Ως αποτέλεσμα, η εξέλιξη της δομής στο σύμπαν καθοδηγείται από τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης. Η «φυσιολογική» ύλη που σχηματίζει αέριο και αστέρια έχει πέσει στα «βαρυτικά φρεάτια» που δημιουργήθηκαν από συσσωματώματα σκοτεινής ύλης, δημιουργώντας γαλαξίες στα κέντρα των φωτοστέφανων της σκοτεινής ύλης.
Αρχικά, η βαρύτητα ενήργησε σε μικρές διακυμάνσεις πυκνότητας που υπήρχαν λίγο μετά το Big Bang για να συγκεντρώσει τις πρώτες συστάδες της σκοτεινής ύλης. Αυτά εξελίχθηκαν σε μεγαλύτερες και μεγαλύτερες συστάδες μέσω της ιεραρχικής συγχώνευσης μικρότερων προγόνων. Αυτή είναι η διαδικασία που προσομοιώθηκαν οι ερευνητές του UCSC στον υπερυπολογιστή της Κολούμπια στο NASA Ames Research Center, έναν από τους ταχύτερους υπολογιστές στον κόσμο. Η προσομοίωση χρειάστηκε μερικούς μήνες για να ολοκληρωθεί, εκτελώντας 300 έως 400 επεξεργαστές τη φορά για 320.000 «CPU-ώρες», είπε ο Diemand.
Ο συν-συγγραφέας Michael Kuhlen, ο οποίος άρχισε να εργάζεται στο πρόγραμμα ως μεταπτυχιακός φοιτητής στο UCSC και είναι τώρα στο Ινστιτούτο Προχωρημένης Μελέτης στο Princeton, δήλωσε ότι οι ερευνητές έθεσαν τις αρχικές συνθήκες βάσει των πιο πρόσφατων αποτελεσμάτων από το Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) πείραμα. Κυκλοφόρησε τον Μάρτιο, τα νέα αποτελέσματα WMAP παρέχουν την πιο λεπτομερή εικόνα του βρεφικού σύμπαντος.
Η προσομοίωση ξεκινά περίπου 50 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang και υπολογίζει τις αλληλεπιδράσεις 234 εκατομμυρίων σωματιδίων σκοτεινής ύλης πάνω από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια κοσμολογικού χρόνου για να παράγει φωτοστέφανο στην ίδια κλίμακα με τον Γαλαξία μας. Οι συστάδες μέσα στο φωτοστέφανο είναι τα απομεινάρια συγχωνεύσεων στις οποίες οι πυρήνες μικρότερων φωτοστέφανων επέζησαν ως βαρυτικά δεσμευμένοι subhalos σε τροχιά γύρω από το μεγαλύτερο σύστημα ξενιστή.
Η προσομοίωση παρήγαγε πέντε τεράστια subhalos (το καθένα περισσότερο από 30 εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου) και πολλά μικρότερα μέσα στο εσωτερικό 10 τοις εκατό του φωτοστέφανου. Ωστόσο, μόνο ένας γνωστός γαλαξίας νάνος (Τοξότης) είναι αυτός που βρίσκεται κοντά στο κέντρο του Γαλαξία, είπε ο Diemand.
«Υπάρχουν μεγάλες ομάδες σκοτεινής ύλης στην ίδια περιοχή όπου θα ήταν ο δίσκος του Γαλαξία μας. Έτσι, ακόμη και στην τοπική γειτονιά του ηλιακού μας συστήματος, η κατανομή της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι πιο περίπλοκη από ό, τι υποθέσαμε », είπε.
Οι αστρονόμοι ενδέχεται να είναι σε θέση να εντοπίσουν συσσωματώματα σκοτεινής ύλης μέσα στο φωτοστέφανο του Γαλαξία με μελλοντικά τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα, αλλά μόνο εάν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από τους τύπους σωματιδίων που θα προκαλούσαν εκπομπές ακτίνων γάμμα. Ορισμένοι υποψήφιοι σκοτεινής ύλης –όπως το ουδέτερο, ένα θεωρητικό σωματίδιο που προβλέπεται από τη θεωρία της υπερσυμμετρίας– θα μπορούσαν να εξαφανιστούν (δηλαδή να καταστραφούν αμοιβαία) σε συγκρούσεις, δημιουργώντας νέα σωματίδια και εκπέμποντας ακτίνες γάμμα.
"Τα υπάρχοντα τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα δεν έχουν ανιχνεύσει αφανισμό της σκοτεινής ύλης, αλλά τα επερχόμενα πειράματα θα είναι πιο ευαίσθητα, οπότε υπάρχει κάποια ελπίδα ότι οι μεμονωμένοι subhalos μπορεί να παράγουν μια παρατηρήσιμη υπογραφή", δήλωσε ο Kuhlen.
Συγκεκριμένα, οι αστρονόμοι προσβλέπουν σε ενδιαφέροντα αποτελέσματα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Gamma Ray Large Area (GLAST), το οποίο έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το 2007, είπε.
Η προσομοίωση παρέχει επίσης ένα χρήσιμο εργαλείο για τους αστρονόμους παρατήρησης που μελετούν τα παλαιότερα αστέρια στον γαλαξία μας παρέχοντας μια σύνδεση μεταξύ των τρεχουσών παρατηρήσεων και των προηγούμενων φάσεων του σχηματισμού γαλαξιών, δήλωσε ο Diemand.
«Οι πρώτοι μικροί γαλαξίες σχηματίστηκαν πολύ νωρίς, περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και εξακολουθούν να υπάρχουν ακόμη αστέρια στον γαλαξία μας που σχηματίστηκαν σε αυτήν την πρώιμη εποχή, σαν ένα απολιθωμένο ρεκόρ σχηματισμού πρώτων αστεριών. Η προσομοίωσή μας μπορεί να παρέχει το πλαίσιο για το πού προέρχονται αυτά τα παλιά αστέρια και πώς κατέληξαν σε νάνους γαλαξίες και σε ορισμένες τροχιές στο αστρικό φωτοστέφανο σήμερα », δήλωσε ο Diemand.
Αρχική πηγή: Δελτίο ειδήσεων UC Santa Cruz
