Nejvýkonnější superpočítač NASA pomohl vědcům simulovat halo temné hmoty, která obklopuje Mléčnou dráhu. Tato nová počítačová simulace ukazuje, jak se temná hmota shlukuje do „subhalos“ uvnitř většího halo obklopujícího Mléčnou dráhu. Je to trochu hádanka, protože temná hmota neodpovídá shluku satelitních galaxií, které nás obklopují.
Vědci na kalifornské univerzitě v Santa Cruz použili nejvýkonnější superpočítač NASA k dosavadní největší simulaci vzniku a vývoje halou temné hmoty, který obklopuje galaxii Mléčná dráha. Jejich výsledky ukazují, že struktury uvnitř halou v bezprecedentních detailech poskytují cenný nástroj pro pochopení evoluční historie naší galaxie.
Každá galaxie je obklopena halou tajemné temné hmoty, kterou lze detekovat pouze nepřímo pozorováním jejích gravitačních účinků. Neviditelný halo je mnohem větší a kulovější než světelná galaxie v jeho středu. Nedávné počítačové simulace ukázaly, že halo je překvapivě neohrabané, s relativně hustými koncentracemi temné hmoty v gravitačně vázaných „subhalosech“ uvnitř halou. Nová studie, která byla přijata k publikování v Astrophysical Journal, vykazuje mnohem rozsáhlejší podstrukturu než jakákoli předchozí studie.
"Najdeme téměř 10 000 subhalos, o jeden řád větší než v předchozích simulacích, a některé z našich subhalosů vykazují" sububstrukturu ". To se očekávalo teoreticky, ale poprvé jsme to ukázali v numerické simulaci," řekl Piero Madau, profesor astronomie a astrofyziky na UCSC a spoluautor příspěvku.
Jürg Diemand, Hubbleův postdoktorandský kolega v UCSC a první autor příspěvku, řekl, že nové výsledky zhoršují to, co se nazývá „chybějící satelitní problém“. Problém je v tom, že shluknutí normální hmoty v naší galaxii a kolem ní - ve formě trpasličí satelitní galaxie - neodpovídá shlukovitosti temné hmoty viděné v simulaci.
"Astronomové stále objevují nové trpasličí galaxie, ale v naší simulaci stále existuje jen asi 15, ve srovnání s asi 120 subhalosy temné hmoty srovnatelné velikosti." Takže které z nich jsou hostitelem trpasličích galaxií a proč? “ Řekl Diemand.
Teoretické modely, ve kterých je formování hvězd omezeno na určité typy halos temné hmoty - dostatečně masivních nebo časně se formujících - mohou pomoci vyřešit tento rozpor, řekl Madau.
Ačkoli povaha temné hmoty zůstává záhadou, zdá se, že představuje asi 82 procent hmoty ve vesmíru. V důsledku toho byl vývoj struktury ve vesmíru veden gravitačními interakcemi temné hmoty. „Normální“ hmota, která tvoří plyn a hvězdy, upadla do „gravitačních studen“ vytvořených shluky temné hmoty, což vedlo ke vzniku galaxií ve středu halos temné hmoty.
Zpočátku gravitace působila na malé výkyvy hustoty krátce po Velkém třesku, aby přitáhla dohromady první shluky temné hmoty. Díky hierarchickému sloučení menších progenitorů se z nich vyvinuly větší a větší shluky. Toto je proces, který vědci UCSC simulovali na superpočítači Columbia ve výzkumném středisku NASA Ames Research Center, jednom z nejrychlejších počítačů na světě. Dokončení simulace trvalo několik měsíců, běží na 300 až 400 procesorech najednou po dobu 320 000 „cpu-hodin,“ řekl Diemand.
Spoluautor Michael Kuhlen, který začal pracovat na projektu jako postgraduální student na UCSC a nyní je v Institutu pro pokročilé studium v Princetonu, uvedl, že vědci stanovili počáteční podmínky na základě nejnovějších výsledků z Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) experiment. Nové výsledky WMAP, které byly vydány v březnu, poskytují nejpodrobnější obraz vůbec kojeneckého vesmíru.
Simulace začíná přibližně 50 milionů let po Velkém třesku a vypočítává interakce 234 milionů částic temné hmoty během 13,7 miliard let kosmologického času, aby se vytvořil halo ve stejném měřítku jako Mléčná dráha. Shluky uvnitř halou jsou zbytky fúzí, ve kterých jádra menších halosů přežila jako gravitačně vázaná subhalosa obíhající uvnitř většího hostitelského systému.
Simulace vytvořila pět masivních subhalos (každý více než 30 miliónkrát větší než hmotnost Slunce) a mnoho menších uvnitř vnitřních 10 procent halo hostitele. Jen jedna známá trpasličí galaxie (Střelec) je ta, která je blízko centra Mléčné dráhy, řekl Diemand.
"Ve stejné oblasti, kde by byl disk Mléčné dráhy, jsou velké shluky temné hmoty." Takže i v místním sousedství naší sluneční soustavy může být distribuce temné hmoty komplikovanější, než jsme předpokládali, “řekl.
Astronomové mohou být schopni detekovat shluky temné hmoty uvnitř halou Mléčné dráhy pomocí budoucích dalekohledů gama, ale pouze pokud temná hmota sestává z typů částic, které by mohly vést k emisím gama záření. Někteří kandidáti temné hmoty - například neutino, teoretická částice předpovězená teorií supersymetrie - by mohli zničit (tj. Vzájemně se zničit) při srážkách, vytvářet nové částice a emitovat gama paprsky.
"Stávající dalekohledy gama nezjistily zničení temné hmoty, ale nadcházející experimenty budou citlivější, takže existuje určitá naděje, že jednotliví subhalové mohou produkovat pozorovatelný podpis," řekl Kuhlen.
Zejména astronomové se těší na zajímavé výsledky z kosmického dalekohledu Gma Ray, který má být uveden na trh v roce 2007, uvedl.
Simulace také poskytuje užitečný nástroj pro pozorovací astronomy studující nejstarší hvězdy v naší galaxii tím, že poskytuje spojení mezi současnými pozorováními a dřívějšími fázemi formování galaxie, uvedl Diemand.
"První malé galaxie se vytvořily velmi brzy, asi 500 milionů let po Velkém třesku, a v naší galaxii se stále objevují hvězdy, které se vytvořily v této rané době, jako fosilní záznam rané tvorby hvězd." Naše simulace může poskytnout kontext, odkud tyto staré hvězdy pocházejí a jak skončily v trpasličích galaxiích a na určitých orbitách ve hvězdném halou dnes, “řekl Diemand.
Původní zdroj: UC Santa Cruz News Release
