NASAs starkaste superdator har hjälpt forskare att simulera halo av mörk materia som omger Vintergatan. Denna nya datorsimulering visar hur den mörka materien klumpar sig samman till "subhalos" i den större gloria som omger Vintergatan. Det här är lite av ett pussel, eftersom den mörka materien inte stämmer överens med de satellitgalaxier som omger oss.
Forskare vid University of California, Santa Cruz, har använt NASAs mest kraftfulla superdator för att köra den största simuleringen hittills av bildandet och utvecklingen av den mörka materiehalo som omsluter Vintergalaxen. Deras resultat visar understrukturer inom gloria i enastående detalj, vilket ger ett värdefullt verktyg för att förstå vår galaxs evolutionära historia.
Varje galax är omgiven av en gloria av mystisk mörk materia som endast kan upptäckas indirekt genom att observera dess gravitationseffekter. Den osynliga gloria är mycket större och mer sfärisk än den lysande galaxen i centrum. Nya datorsimuleringar har visat att halo är förvånansvärt klumpig, med relativt täta koncentrationer av mörk materia i gravitationellt bundna 'subhalos' i halo. Den nya studien, som har accepterats för publicering i Astrophysical Journal, visar mycket mer omfattande understruktur än någon tidigare studie.
"Vi hittar nästan 10 000 subhalos, ungefär en storleksordning mer än i tidigare simuleringar, och några av våra subhalos uppvisar" sububstruktur. "Detta förväntades teoretiskt, men vi har visat det för första gången i en numerisk simulering," sade Piero Madau, professor i astronomi och astrofysik vid UCSC och medförfattare till tidningen.
Jürg Diemand, en Hubble postdoktor vid UCSC och första författaren till uppsatsen, sade att de nya resultaten förvärrar det som kallas ”det saknade satellitproblemet.” Problemet är att klumpigheten i den normala materien i och runt vår galax - i form av dvärgssatellitgalaxier - inte stämmer överens med klumpigheten i den mörka materien som ses i simuleringen.
”Astronomer upptäcker hela tiden nya dvärggalaxier, men det finns fortfarande bara cirka 15 eller så, jämfört med cirka 120 mörka substanser av jämförbar storlek i vår simulering. Så vilka är värd för dvärg galaxerna, och varför? ” Diemand sa.
Teoretiska modeller där stjärnbildningen är begränsad till vissa typer av mörka ämnen halo - tillräckligt massiva eller tidigt bildande - kan hjälpa till att lösa avvikelsen, sade Madau.
Även om arten av mörk materia förblir ett mysterium, verkar det utgöra cirka 82 procent av materien i universum. Som ett resultat har utvecklingen av strukturen i universum drivits av gravitationella interaktioner av mörk materia. Den "normala" materien som bildar gas och stjärnor har fallit in i "gravitationsbrunnarna" som skapas av klumpar av mörk materia, vilket ger upphov till galaxer i mitten av halo av mörk materia.
Ursprungligen verkade tyngdekraften på svaga täthetsfluktuationer närvarande efter Big Bang för att dra ihop de första klumparna av mörk materia. Dessa växte till större och större klumpar genom den hierarkiska sammanslagningen av mindre förfäder. Detta är processen som UCSC-forskarna simulerade på Columbia-superdatorn vid NASA Ames Research Center, en av de snabbaste datorerna i världen. Simuleringen tog ett par månader att slutföra, körde på 300 till 400 processorer åt gången i 320 000 "cpu-timmar", säger Diemand.
Medförfattare Michael Kuhlen, som började arbeta med projektet som forskarstuderande vid UCSC och nu är vid Institute for Advanced Study i Princeton, sa forskarna att de ursprungliga villkoren baserade på de senaste resultaten från Wilkinson Microbe Anisotropy Probe (WMAP) experimentera. De nya WMAP-resultaten släpptes i mars ger den mest detaljerade bilden av spädbarnsuniverset någonsin.
Simuleringen börjar cirka 50 miljoner år efter Big Bang och beräknar interaktioner mellan 234 miljoner partiklar av mörkt material under 13,7 miljarder år kosmologisk tid för att producera en gloria i samma skala som Vintergatan. Klumparna i halo är resterna av sammanslagningar i vilka kärnorna i mindre glorier överlevde när gravitationsbundna subhalos kretsade i det större värdsystemet.
Simuleringen producerade fem massiva subhalos (var och en mer än 30 miljoner gånger solens massa) och många mindre inom den inre 10 procent av värdhalo. Ändå är bara en känd dvärggalaxi (Skytten) så nära mjölkvägens centrum, sade Diemand.
”Det finns stora klumpar av mörk materia i samma region där mjölkvägen skulle vara. Så även i det lokala kvarteret i vårt solsystem kan distributionen av mörk materia vara mer komplicerad än vi har antagit, ”sade han.
Astronomer kanske kan upptäcka klumpar av mörk materia i Vintergatan halo med framtida gammastråleteleskop, men bara om mörkmaterialet består av de typer av partiklar som skulle ge upphov till gammastråleutsläpp. Vissa kandidater med mörk materia - som neutralino, en teoretisk partikel som förutses av supersymmetri-teorin - kan förstöra (det vill säga ömsesidigt förstöras) i kollisioner, generera nya partiklar och avge gammastrålar.
"Befintliga gammastråleteleskop har inte upptäckt mörka materialförintelse, men kommande experiment kommer att vara mer känsliga, så det finns något hopp om att enskilda subhalos kan producera en observerbar signatur," sade Kuhlen.
Särskilt ser astronomer fram emot intressanta resultat från Gamma Ray Large Area Telescope (GLAST), planerat att lanseras 2007, sade han.
Simuleringen tillhandahåller också ett användbart verktyg för observationsastronomer som studerar de äldsta stjärnorna i vår galax genom att tillhandahålla en koppling mellan aktuella observationer och tidigare faser av galaxbildning, säger Diemand.
”De första små galaxerna bildades mycket tidigt, cirka 500 miljoner år efter Big Bang, och det finns fortfarande stjärnor i vår galax som bildades vid denna tidiga tid, som en fossilrekord för tidig stjärnbildning. Vår simulering kan ge sammanhanget för var de gamla stjärnorna kom ifrån och hur de hamnade i dvärggalaxier och i vissa banor i den stellar halo idag, ”sade Diemand.
Originalkälla: UC Santa Cruz News Release
