Кредитна графіка: Берклі
Темна матерія - це невидимий ореол матеріалу, який, здається, оточує кожну галактику. Досі астрономи вважали, що темна речовина, ймовірно, утворює рівномірний туман частинок у просторі, але дослідники UC Berkeley і MIT створили комп'ютерне моделювання того, як темна речовина може зливатися в більші шматки матеріалу.
«Темна речовина», що містить досі непомічену чверть Всесвіту, не є рівномірним космічним туманом, говорить Каліфорнійський університет, Берклі, астрофізик, але натомість утворює щільні скупчення, які рухаються навколо, як пилові моти, що танцюють у валу світла.
У статті, представленій на цьому тижні до Physical Review D, Чунг-Пей Ма, доцент кафедри астрономії в УК Берклі та Едмунд Бертшингер з Массачусетського технологічного інституту (MIT), доводять, що рух скупчень темної матерії можна моделювати в подібний до броунівського руху повітряного пилу чи пилку.
Їхні висновки повинні дати астрофізикам новий спосіб обчислити еволюцію цієї привиди Всесвіту темної матерії та узгодити її із спостережуваним Всесвітом, сказав Ма.
Темна матерія є актуальною проблемою для астрономії вже більше 30 років. Зірки всередині галактик і галактик в кластерах рухаються таким чином, що вказує, що там більше речовини, ніж ми можемо бачити. Здається, ця невидима речовина знаходиться у сферичному ореолі, який, мабуть, поширюється в 10 разів далі, ніж видимий зоряний ореол навколо галактик. Ранні пропозиції про те, що невидима речовина складається із спалених зірок або важких нейтрино, не втрачаються, і нинішніми улюбленими кандидатами є екзотичні частинки, які по-різному називаються нейтриліносами, аксіонами або іншими гіпотетичними надсиметричними частинками. Оскільки ці екзотичні частинки взаємодіють із звичайною речовиною лише через гравітацію, а не через електромагнітні хвилі, вони не випромінюють світла.
"Ми бачимо лише половину всіх частинок", - сказала Ма. "Вони занадто важкі для виробництва в акселераторах, тому половина світу ми не знаємо про це".
Картина погіршилася лише чотири роки тому, коли «темна енергія» виявилася навіть більш поширеною, ніж темна речовина. Космічний рахунок тепер прив'язує темну енергію приблизно до 69 відсотків Всесвіту, екзотичну темну речовину в 27 відсотків, земну темну матерію - тьмяну, невидимі зірки - на 3 відсотки, а те, що ми насправді бачимо лише у 1 відсоток.
Спираючись на комп'ютерні моделі того, як темна матерія рухатиметься під силою тяжіння, Ма сказала, що темна матерія не є рівномірним туманом, що обволікає скупчення галактик. Натомість темна матерія утворює менші скупчення, які зовні виглядають як галактики та кульові скупчення, які ми бачимо у нашому світлому світі. Темна речовина має динамічне життя, незалежне від світної речовини, сказала вона.
"Космічний мікрохвильовий фон показує ранні наслідки скупчення темної матерії, і ці скупчення ростуть під дією гравітаційного тяжіння", - сказала вона. "Але кожна з цих скупчень, ореол навколо скупчень галактик, вважалася гладкою. Люди були заінтриговані, виявивши, що симуляції з високою роздільною здатністю показують, що вони не є рівними, а натомість мають складні підструктури. Темний світ має своє динамічне життя ».
Ма, Бертшингер та аспірант УК Берклі Майкл Бойлан-Колчин виконали деякі з цих моделей самостійно. Кілька інших груп за останні два роки також показали подібну групування.
Всесвіт примари темної матерії - це шаблон для видимого Всесвіту, - сказала вона. Темна матерія в 25 разів рясніша від простої видимої речовини, тому видима матерія повинна скупчуватися скрізь, де скупчуються темні речовини.
У цьому полягає проблема, сказала Ма. Комп'ютерне моделювання еволюції темної матерії передбачає набагато більше скупчень темної матерії в регіоні, ніж є скупчення світної речовини, які ми можемо бачити. Якщо світла речовина слідує за темною речовиною, у кожній має бути майже еквівалентна кількість.
"Наша галактика Чумацький Шлях має близько десятка супутників, але в симуляціях ми бачимо тисячі супутників темної матерії", - сказала вона. "Темна матерія в Чумацькому Шляху - це динамічне, жваве середовище, в якому тисячі менших супутників скупчень темної матерії рояться навколо великого ореолу материнської темної матерії, постійно взаємодіючи і заважаючи один одному".
Крім того, астрофізики, що моделюють рух темної матерії, були спантеличені, побачивши, що кожен згусток має щільність, яка досягає максимуму в центрі і впала до країв точно так само, незалежно від його розміру. Цей універсальний профіль щільності, однак, суперечить спостереженням за деякими карликовими галактиками, зробленими колегою Ма, професором астрономії УК Берклі Лео Бліцом та його дослідницькою групою, серед інших.
Ма сподівається, що новий спосіб погляду на рух темної матерії вирішить ці проблеми та теорію квадратів із спостереженням. У своїй статті «Фізичний огляд», обговореній на засіданні на початку цього року Американського фізичного товариства, вона довела, що рух темної матерії можна моделювати так само, як броунівський рух, який описав ботанік Роберт Браун у 1828 році, а Альберт Ейнштейн пояснив у семінарі 1905 року папір, яка допомогла йому отримати Нобелівську премію з фізики 1921 року.
Броунівський рух вперше було описано як зигзагоподібний шлях, пройдений зерном пилку, що плаває у воді, підштовхується молекулами води, що стикаються з ним. Явище однаково відноситься до руху пилу у повітрі та щільних скупчень темної матерії у Всесвіті темної матерії, сказав Ма.
Це розуміння "давайте нам використовувати іншу мову, іншу точку зору, ніж стандартний погляд", щоб дослідити рух і еволюцію темної матерії, сказала вона.
Інші астрономи, такі як професор астрономії Берклі Емітер Берклі, Іван Кінг, використовували теорію броунівського руху для моделювання руху сотень тисяч зірок всередині зоряних скупчень, але це, за словами Ма, "це вперше застосовано суворо до великих космологічних масштабів. Ідея полягає в тому, що нам не байдуже, де саме розташовуються скупчення, а, як, як згустки статистично поводяться в системі, як вони гравітаційно розсіюються ".
Ма зазначив, що броунівський рух скупчень регулюється рівнянням, рівнянням Фоккера-Планка, яке використовується для моделювання багатьох стохастичних або випадкових процесів, включаючи фондовий ринок. Ма та співробітники зараз працюють над вирішенням цього рівняння для космологічної темної матерії.
"Дивно і приємно, що еволюція темної матерії, еволюція скупчень підкоряються простому рівнянню 90-річного віку", - сказала вона.
Робота була підтримана Національним управлінням з питань аеронавтики та космосу.
Оригінальне джерело: UC Berkeley
