Πιστωτική εικόνα: Berkeley
Η σκοτεινή ύλη είναι ένα αόρατο φωτοστέφανο υλικού που φαίνεται να περιβάλλει κάθε γαλαξία. Μέχρι τώρα, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι η σκοτεινή ύλη σχημάτισε πιθανώς μια ομοιόμορφη ομίχλη σωματιδίων στο διάστημα, αλλά ερευνητές από το UC Berkeley και το MIT δημιούργησαν μια προσομοίωση υπολογιστή για το πώς η σκοτεινή ύλη μπορεί να συγκεντρωθεί σε μεγαλύτερα κομμάτια υλικού.
Η «σκοτεινή ύλη» που αποτελείται από το ένα τέταρτο του σύμπαντος που δεν έχει εντοπιστεί ακόμη, δεν είναι μια ομοιόμορφη κοσμική ομίχλη, λέει ένα Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, αστροφυσικός, αλλά αντ 'αυτού σχηματίζει πυκνές συστάδες που κινούνται σαν κινήσεις σκόνης που χορεύουν σε έναν άξονα φως.
Σε ένα έγγραφο που υποβλήθηκε αυτήν την εβδομάδα στο Physical Review D, ο Chung-Pei Ma, αναπληρωτής καθηγητής αστρονομίας στο UC Berkeley και ο Edmund Bertschinger του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT), αποδεικνύουν ότι η κίνηση των συσσωματωμάτων σκοτεινής ύλης μπορεί να μοντελοποιηθεί με παρόμοιο τρόπο με την κίνηση του καφέ από τη σκόνη ή τη γύρη.
Τα ευρήματά τους θα πρέπει να παρέχουν στους αστροφυσικούς έναν νέο τρόπο υπολογισμού της εξέλιξης αυτού του σύμπαντος της σκοτεινής ύλης και να το συνδυάζουν με το παρατηρήσιμο σύμπαν, είπε ο Μα.
Η σκοτεινή ύλη είναι ένα γοητευτικό πρόβλημα για την αστρονομία για περισσότερα από 30 χρόνια. Τα αστέρια μέσα στους γαλαξίες και οι γαλαξίες μέσα στα σμήνη κινούνται με τρόπο που δείχνει ότι υπάρχει περισσότερη ύλη εκεί από ό, τι μπορούμε να δούμε. Αυτή η αόρατη ύλη φαίνεται να βρίσκεται σε ένα σφαιρικό φωτοστέφανο που εκτείνεται πιθανώς 10 φορές πιο μακριά από το ορατό αστρικό φωτοστέφανο γύρω από τους γαλαξίες. Οι πρώτες προτάσεις ότι η αόρατη ύλη αποτελείται από καμένα αστέρια ή βαριά νετρίνα δεν έχουν εξαφανιστεί, και οι τρέχοντες αγαπημένοι υποψήφιοι είναι εξωτικά σωματίδια που ονομάζονται ουδέτερα, άξονες ή άλλα υποθετικά υπερσυμμετρικά σωματίδια. Επειδή αυτά τα εξωτικά σωματίδια αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας, όχι μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, δεν εκπέμπουν φως.
«Βλέπουμε μόνο τα μισά από όλα τα σωματίδια», είπε ο Μα. «Είναι πολύ βαρύ για να παράγουν τώρα σε επιταχυντές, οπότε ο μισός κόσμος που δεν γνωρίζουμε».
Η εικόνα επιδεινώθηκε μόλις πριν από τέσσερα χρόνια όταν η «σκοτεινή ενέργεια» βρέθηκε να είναι ακόμη πιο διαδεδομένη από τη σκοτεινή ύλη. Ο κοσμικός λογαριασμός συνδέει τώρα τη σκοτεινή ενέργεια στο 69 τοις εκατό του σύμπαντος, την εξωτική σκοτεινή ύλη στο 27 τοις εκατό, τη συνήθη σκοτεινή ύλη - αμυδρό, αόρατα αστέρια - στο 3 τοις εκατό, και αυτό που βλέπουμε στην πραγματικότητα με μόλις 1 τοις εκατό.
Με βάση μοντέλα υπολογιστών για το πώς η σκοτεινή ύλη θα κινηθεί υπό τη δύναμη της βαρύτητας, ο Μα είπε ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι μια ομοιόμορφη ομίχλη που περιβάλλει συστάδες γαλαξιών. Αντίθετα, η σκοτεινή ύλη σχηματίζει μικρότερες συστάδες που μοιάζουν επιφανειακά με τους γαλαξίες και τα σφαιρικά σμήνη που βλέπουμε στο φωτεινό σύμπαν μας. Η σκοτεινή ύλη έχει μια δυναμική ζωή ανεξάρτητη από τη φωτεινή ύλη, είπε.
«Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων δείχνει τις πρώτες επιπτώσεις της συσσώρευσης της σκοτεινής ύλης και αυτές οι συστάδες αναπτύσσονται υπό βαρυτική έλξη», είπε. «Αλλά κάθε μία από αυτές τις συστάδες, το φωτοστέφανο γύρω από τα σμήνη των γαλαξιών, θεωρήθηκε ομαλή. Οι άνθρωποι ενθουσιάστηκαν για να διαπιστώσουν ότι οι προσομοιώσεις υψηλής ανάλυσης δείχνουν ότι δεν είναι ομαλές, αλλά έχουν περίπλοκες υποδομές. Ο σκοτεινός κόσμος έχει τη δική του δυναμική ζωή. "
Οι απόφοιτοι των μαθητών Μ, Bertschinger και UC Berkeley Michael Boylan-Kolchin πραγματοποίησαν μερικές από αυτές τις προσομοιώσεις οι ίδιοι. Αρκετές άλλες ομάδες τα τελευταία δύο χρόνια έχουν επίσης δείξει παρόμοια συσσώρευση.
Το σύμπαν των φαντασμάτων της σκοτεινής ύλης είναι ένα πρότυπο για το ορατό σύμπαν, είπε. Η σκοτεινή ύλη είναι 25 φορές πιο άφθονη από την απλή ορατή ύλη, οπότε η ορατή ύλη πρέπει να συσσωρεύεται όπου συσσωρεύεται η σκοτεινή ύλη.
Εκεί βρίσκεται το πρόβλημα, είπε ο Μα. Οι προσομοιώσεις υπολογιστών για την εξέλιξη της σκοτεινής ύλης προβλέπουν πολύ περισσότερες ομάδες σκοτεινής ύλης σε μια περιοχή από ό, τι υπάρχουν συσσωματώματα φωτεινής ύλης που μπορούμε να δούμε. Εάν η φωτεινή ύλη ακολουθεί τη σκοτεινή ύλη, θα πρέπει να υπάρχουν σχεδόν ισοδύναμοι αριθμοί.
«Ο γαλαξίας μας, ο Γαλαξίας μας, έχει περίπου δώδεκα δορυφόρους, αλλά σε προσομοιώσεις βλέπουμε χιλιάδες δορυφόρους σκοτεινής ύλης», είπε. «Η σκοτεινή ύλη στο Γαλαξία είναι ένα δυναμικό, ζωντανό περιβάλλον στο οποίο χιλιάδες μικρότεροι δορυφόροι συσσωματωμάτων σκοτεινής ύλης συρρέουν γύρω από ένα μεγάλο φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης, αλληλεπιδρούν συνεχώς και ενοχλούν ο ένας τον άλλον.»
Επιπλέον, οι αστροφυσικοί που μοντελοποιούν την κίνηση της σκοτεινής ύλης μπερδεύτηκαν για να δουν ότι κάθε συστάδα είχε πυκνότητα που κορυφώθηκε στο κέντρο και έπεσε προς τα άκρα με τον ίδιο ακριβώς τρόπο, ανεξάρτητα από το μέγεθός της. Αυτό το καθολικό προφίλ πυκνότητας, ωστόσο, φαίνεται να έρχεται σε σύγκρουση με παρατηρήσεις μερικών νάνων γαλαξιών που έγιναν από τον συνάδελφο του Ma, τον καθηγητή αστρονομίας του Μπέρκλεϋ, Leo Blitz, και την ερευνητική του ομάδα, μεταξύ άλλων.
Ο Μα ελπίζει ότι ένας νέος τρόπος να δούμε την κίνηση της σκοτεινής ύλης θα επιλύσει αυτά τα προβλήματα και την τετραγωνική θεωρία με παρατήρηση. Στο άρθρο της Physical Review, που συζητήθηκε σε μια συνάντηση νωρίτερα αυτό το έτος της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας, απέδειξε ότι η κίνηση της σκοτεινής ύλης μπορεί να διαμορφωθεί όπως η κίνηση του Μπράουν που περιέγραψε ο βοτανολόγος Ρόμπερτ Μπράουν το 1828 και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εξήγησε σε ένα σπερματικό 1905 χαρτί που τον βοήθησε να συγκεντρώσει το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1921.
Η κίνηση του Μπράιαν περιγράφηκε για πρώτη φορά ως το μονοπάτι ζιγκ-ζαγκ που περνούσε ένας κόκκος γύρης που επιπλέει στο νερό, ωθούμενος από μόρια νερού που συγκρούονται με αυτό. Το φαινόμενο αναφέρεται εξίσου στην κίνηση της σκόνης στον αέρα και σε πυκνές συστάδες σκοτεινής ύλης στο σύμπαν της σκοτεινής ύλης, δήλωσε ο Μα.
Αυτή η διορατικότητα «ας χρησιμοποιήσουμε μια διαφορετική γλώσσα, μια διαφορετική άποψη από την τυπική άποψη», για να διερευνήσουμε την κίνηση και την εξέλιξη της σκοτεινής ύλης, είπε.
Άλλοι αστρονόμοι, όπως ο ομότιμος καθηγητής αστρονομίας του Μπέρκλεϊ Ιβάν Κινγκ, χρησιμοποίησαν τη θεωρία της κίνησης του Μπράουν για να μοντελοποιήσουν την κίνηση εκατοντάδων χιλιάδων αστεριών μέσα σε συστάδες αστεριών, αλλά αυτό, είπε ο Μα, «είναι η πρώτη φορά που εφαρμόζεται αυστηρά σε μεγάλες κοσμολογικές κλίμακες. Η ιδέα είναι ότι δεν μας ενδιαφέρει ακριβώς πού βρίσκονται οι συστάδες, αλλά μάλλον πώς συμπεριφέρονται οι συστάδες στατικά στο σύστημα, πώς διασκορπίζονται βαρυτικά. "
Ο Μα σημείωσε ότι η κίνηση των συσσωματωμάτων Brownian διέπεται από μια εξίσωση, την εξίσωση Fokker-Planck, η οποία χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση πολλών στοχαστικών ή τυχαίων διαδικασιών, συμπεριλαμβανομένου του χρηματιστηρίου. Η Ma και οι συνεργάτες εργάζονται επί του παρόντος για την επίλυση αυτής της εξίσωσης για την κοσμολογική σκοτεινή ύλη.
«Είναι εκπληκτικό και ευχάριστο που η εξέλιξη της σκοτεινής ύλης, η εξέλιξη των συστάδων, υπακούει σε μια απλή εξίσωση 90 ετών», είπε.
Το έργο υποστηρίχθηκε από την Εθνική Διοίκηση Αεροναυτικής και Διαστήματος.
Αρχική πηγή: UC Berkeley
