Bildkredit: Berkeley
Mörk materia är en osynlig halo av material som verkar omge varje galax. Fram till nu trodde astronomer att mörk materia förmodligen bildade en jämn dimma av partiklar i rymden, men forskare från UC Berkeley och MIT har skapat en datorsimulering av hur mörk materia kan klumpa sig samman till större materialbitar.
Den "mörka materien" som består av en kvar oupptäckt fjärdedel av universum är inte en enhetlig kosmisk dimma, säger ett universitet i Kalifornien, Berkeley, astrofysiker, men bildar istället täta klumpar som rör sig som dammmotor som dansar i en axel av ljus.
I ett papper som lämnades denna vecka till Physical Review D, bevisar Chung-Pei Ma, docent i astronomi vid UC Berkeley, och Edmund Bertschinger från Massachusetts Institute of Technology (MIT) att rörelsen av mörka ämnesklumpar kan modelleras i ett sätt som liknar den browniska rörelsen av luftburet damm eller pollen.
Deras resultat bör ge astrofysiker ett nytt sätt att beräkna utvecklingen av detta spökunivers av mörk materia och förena det med det observerbara universum, sa Ma.
Mörk materia har varit ett irriterande problem för astronomi i mer än 30 år. Stjärnor inom galaxer och galaxer i kluster rör sig på ett sätt som indikerar att det finns mer materia där än vi kan se. Denna osynliga fråga verkar befinna sig i en sfärisk gloria som troligen sträcker sig 10 gånger längre än den synliga stjärnahalogen runt galaxer. Tidigare förslag om att den osynliga saken består av utbrända stjärnor eller tunga neutrinoer har inte panorerat ut, och de nuvarande favoritkandidaterna är exotiska partiklar som olika kallas neutrilino, axioner eller andra hypotetiska supersymmetriska partiklar. Eftersom dessa exotiska partiklar interagerar med vanlig materia endast genom tyngdkraften, inte via elektromagnetiska vågor, avger de inget ljus.
"Vi ser bara hälften av alla partiklar," sa Ma. "De är för tunga att producera nu i acceleratorer, så hälften av världen vet vi inte om."
Bilden blev bara sämre för fyra år sedan när "mörk energi" konstaterades vara ännu vanligare än mörk materia. Det kosmiska kontot kopplar nu mörk energi till cirka 69 procent av universum, exotisk mörk materia vid 27 procent, vardagligt mörkt material - svaga, osynliga stjärnor - på 3 procent, och vad vi faktiskt ser på bara 1 procent.
Baserat på datormodeller av hur mörk materia skulle röra sig under tyngdkraften, sa Ma att mörk materia inte är en enhetlig dimma som omsluter galaxkluster. I stället bildar mörk materia mindre klumpar som ser ytligt ut som galaxerna och kulakluster som vi ser i vårt lysande universum. Den mörka materien har ett dynamiskt liv oberoende av lysande materie, sade hon.
"Den kosmiska mikrovågsbakgrunden visar de tidiga effekterna av att mörk materia klumpar sig, och dessa klumpar växer under gravitationsattraktion," sade hon. ”Men var och en av dessa klumpar, halo runt galaxkluster, ansågs vara smidig. Människor var intresserade av att upptäcka att högupplösta simuleringar visar att de inte är smidiga, utan istället har komplicerade substrukturer. Den mörka världen har ett eget dynamiskt liv. ”
Ma, Bertschinger och UC Berkeley doktorand Michael Boylan-Kolchin utförde några av dessa simuleringar själva. Flera andra grupper under de senaste två åren har också visat liknande klump.
Spökuniverset av mörk materia är en mall för det synliga universum, sa hon. Mörk materia är 25 gånger rikare än bara synlig materia, så synlig materia bör klustera varhelst mörk materia kluster.
Där ligger problemet, sa Ma. Datorsimuleringar av utvecklingen av mörk materia förutspår mycket fler klumpar av mörk materia i en region än det finns klumpar av lysande materia vi kan se. Om ljusmaterial följer mörk materia, bör det finnas nästan motsvarande antal av var och en.
"Vår galax, Vintergatan, har ungefär ett dussin satelliter, men i simuleringar ser vi tusentals satelliter av mörk materia," sade hon. "Mörk materia i Vintergatan är en dynamisk, livlig miljö där tusentals mindre satelliter av mörka ämnen klumpar sig runt en storförälskelse av mörk materia, ständigt interagerar och stör varandra."
Dessutom förundrade astrofysiker som modellerade rörelsen av mörk materia att se att varje klump hade en densitet som nådde en topp i mitten och föll av mot kanterna på exakt samma sätt, oberoende av dess storlek. Denna universella täthetsprofil verkar emellertid vara i konflikt med observationer av vissa dvärggalaxier gjorda av Ma's kollega, UC Berkeley professor i astronomi Leo Blitz, och hans forskargrupp, bland andra.
Ma hoppas att ett nytt sätt att titta på rörelsen av mörk materia kommer att lösa dessa problem och fyrkantiga teorier med observation. I sin Physical Review-artikel, som diskuterades vid ett möte tidigare i år i American Physical Society, bevisade hon att rörelsen av mörk materia kan modelleras ungefär som den browniska rörelsen som botanikern Robert Brown beskrev 1828 och Albert Einstein förklarade i en seminal 1905 papper som hjälpte till att skaffa honom 1921 Nobelpriset i fysik.
Brownsk rörelse beskrevs först som sicksackvägen som färdades med ett pollenkorn som flyter i vatten, pressat omkring av vattenmolekyler som kolliderade med den. Fenomenet hänvisar lika till rörelsen av damm i luften och täta klumpar av mörk materia i den mörka materiens universum, sa Ma.
Denna insikt "låt oss använda ett annat språk, en annan synvinkel än standardvisningen", för att undersöka rörelsen och utvecklingen av mörk materia, sa hon.
Andra astronomer, till exempel UC Berkeley emeritus professor i astronomi Ivan King, har använt teorin om brownisk rörelse för att modellera rörelsen för hundratusentals stjärnor inom stjärnkluster, men detta, sade Ma, "är första gången det har tillämpats strikt till stora kosmologiska skalor. Tanken är att vi inte bryr oss exakt var klumparna är, utan snarare hur klumpar uppför sig statistiskt i systemet, hur de sprider gravitationellt. "
Ma konstaterade att den brunaiska rörelsen av klumpar styrs av en ekvation, Fokker-Planck-ekvationen, som används för att modellera många stokastiska eller slumpmässiga processer, inklusive aktiemarknaden. Ma och kollaboratörer arbetar för närvarande med att lösa denna ekvation för kosmologisk mörk materia.
"Det är förvånande och förtjusande att utvecklingen av mörk materia, utvecklingen av klumpar följer en enkel 90-årig ekvation," sade hon.
Arbetet stöds av National Aeronautics and Space Administration.
Ursprungskälla: UC Berkeley
