Obrazový kredit: Berkeley
Temná hmota je neviditelný halo materiálu, který vypadá, že obklopuje každou galaxii. Až dosud astronomové věřili, že temná hmota pravděpodobně tvoří ve vesmíru dokonce mlhu částic, ale vědci z UC Berkeley a MIT vytvořili počítačovou simulaci toho, jak by se temná hmota mohla shlukovat do větších kusů materiálu.
„Temná hmota“, která zahrnuje dosud nezjištěnou čtvrtinu vesmíru, není uniformní kosmická mlha, říká kalifornská univerzita, Berkeley, astrofyzik, ale místo toho vytváří husté shluky, které se pohybují kolem jako prachové motivy tančící v šachtě světlo.
V příspěvku předloženém tento týden fyzikální recenzi D, Chung-Pei Ma, docent astronomie na UC Berkeley, a Edmund Bertschinger z Massachusetts Institute of Technology (MIT), dokazují, že pohyb shluků temné hmoty lze modelovat v podobně jako Brownův pohyb vzduchem přenášeného prachu nebo pylu.
Jejich nálezy by měly astrofyzikům poskytnout nový způsob, jak vypočítat vývoj tohoto duchovního vesmíru temné hmoty a sladit jej s pozorovatelným vesmírem, uvedla Ma.
Temná hmota je astronomickým problémem již více než 30 let. Hvězdy v galaxiích a galaxiích v klastrech se pohybují způsobem, který naznačuje, že je tam více hmoty, než můžeme vidět. Zdá se, že tato neviditelná hmota je ve sférickém halou, který sahá asi 10krát dále než viditelný hvězdný halo kolem galaxií. První návrhy, že neviditelná hmota je tvořena vyhořelými hvězdami nebo těžkými neutriny, se neprojevily a současnými oblíbenými kandidáty jsou exotické částice různě nazývané neutriliny, axiony nebo jiné hypotetické supersymetrické částice. Protože tyto exotické částice interagují s obyčejnou hmotou pouze gravitací, nikoli elektromagnetickými vlnami, nevyzařují žádné světlo.
"Vidíme jen polovinu všech částic," řekla Ma. "Jsou příliš těžcí na to, aby se teď vyráběli v akcelerátorech, takže polovina světa, o které nevíme."
Obrázek se zhoršil teprve před čtyřmi lety, kdy bylo zjištěno, že „temná energie“ je ještě převládající než temná hmota. Kosmický účet nyní připevňuje temnou energii na asi 69 procent vesmíru, exotickou temnou hmotu na 27 procent, světskou temnou hmotu - matnou, neviditelnou hvězdu - na 3 procenta a to, co ve skutečnosti vidíme, na pouhé 1 procento.
Na základě počítačových modelů toho, jak by se temná hmota pohybovala pod gravitační silou, uvedla, že temná hmota není jednotná mlha obklopující shluky galaxií. Místo toho tmavá hmota vytváří menší shluky, které vypadají povrchně jako galaxie a kulové hvězdokupy, které vidíme v našem světelném vesmíru. Temná hmota má dynamický život nezávislý na světelné hmotě.
"Kosmické mikrovlnné pozadí ukazuje časné účinky shlukování temné hmoty a tyto shluky rostou pod gravitační přitažlivost," řekla. "Ale každý z těchto shluků, halo kolem galaktických shluků, byl považován za hladký." Lidé byli fascinováni zjištěním, že simulace s vysokým rozlišením ukazují, že nejsou plynulé, ale místo toho mají složité podstruktury. Temný svět má svůj vlastní dynamický život. “
Ma, Bertschinger a postgraduální student UC Berkeley Michael Boylan-Kolchin provedli některé z těchto simulací sami. Několik dalších skupin za poslední dva roky také vykazovalo podobné shluky.
Duch duchů temné hmoty je šablonou pro viditelný vesmír, řekla. Temná hmota je 25krát hojnější než pouhá viditelná hmota, takže viditelná hmota by se měla seskupovat všude tam, kde jsou shluky temné hmoty.
V tom spočívá problém, řekla Ma. Počítačové simulace vývoje temné hmoty předpovídají mnohem více shluků temné hmoty v oblasti, než jsou shluky světelné hmoty, které můžeme vidět. Pokud světelná hmota následuje temnou hmotu, mělo by být každé z nich téměř rovnocenné.
"Naše galaxie, Mléčná dráha, má asi tucet satelitů, ale v simulacích vidíme tisíce satelitů temné hmoty," řekla. "Temná hmota v Mléčné dráze je dynamické, živé prostředí, ve kterém se tisíce menších družic shluků temné hmoty hemží kolem velkého halou temné hmoty, neustále se vzájemně ovlivňují a ruší."
Kromě toho byli astrofyzici modelování pohybu temné hmoty zmateni, aby viděli, že každý shluk měl hustotu, která vrcholila ve středu a klesala směrem k okrajům přesně stejným způsobem, nezávisle na jeho velikosti. Zdá se však, že tento profil univerzální hustoty je v rozporu s pozorováním některých trpasličích galaxií, které provedl Maův kolega, UC Berkeley, profesor astronomie Leo Blitz, a jeho výzkumná skupina.
Ma doufá, že nový způsob pohledu na temnou hmotu vyřeší tyto problémy a teorii čtverců pozorováním. Ve svém článku Fyzická recenze, diskutovaném na setkání letošního roku americké fyzické společnosti, prokázala, že pohyb temné hmoty lze modelovat podobně jako Brownův pohyb, který popsal botanik Robert Brown v roce 1828 a Albert Einstein vysvětlil v klíčovém 1905 papír, který mu pomohl získat Nobelovu cenu za fyziku z roku 1921.
Brownův pohyb byl poprvé popsán jako klikatá cesta, kterou prošla zrna pylu plovoucí ve vodě, tlačená kolem molekul vody, které s ní narážely. Tento jev se týká stejně pohybu prachu ve vzduchu a hustých shluků temné hmoty ve vesmíru temné hmoty, řekl Ma.
Tento vhled „prozkoumejme pohyb a vývoj temné hmoty, použijeme jiný jazyk, jiný pohled než standardní pohled“.
Jiní astronomové, jako je profesor astronomie UC Berkeley Emeritus, astronomie Ivan King, použili teorii Brownova pohybu k modelování pohybu stovek tisíc hvězd v hvězdokupách, ale toto, Ma řekl, „je poprvé použito přísně k velkým kosmologickým měřítkům. Myšlenka je, že nám nezáleží přesně na tom, kde jsou shluky, ale spíše o tom, jak se shluky chová statisticky v systému, jak se gravitační rozptylují. “
Ma poznamenala, že Brownův pohyb shluků se řídí rovnicí, Fokker-Planckovou rovnicí, která se používá k modelování mnoha stochastických nebo náhodných procesů, včetně akciového trhu. Ma a spolupracovníci v současné době pracují na řešení této rovnice pro kosmologickou temnou hmotu.
"Je překvapivé a příjemné, že vývoj temné hmoty, vývoj shluků, se řídí jednoduchou, 90letou rovnicí," řekla.
Práce byla podpořena Národní leteckou a kosmickou správou.
Původní zdroj: UC Berkeley
