Самый мощный суперкомпьютер НАСА помог исследователям моделировать ореол темной материи, который окружает Млечный путь. Это новое компьютерное моделирование показывает, как темная материя объединяется в «субгало» в более крупном гало, окружающем Млечный путь. Это немного загадка, поскольку темная материя не соответствует скоплению спутниковых галактик, которые нас окружают.
Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе использовали самый мощный суперкомпьютер НАСА для запуска крупнейшего на сегодняшний день моделирования формирования и эволюции гало темной материи, которое охватывает галактику Млечный путь. Их результаты показывают субструктуры внутри гало в беспрецедентных деталях, обеспечивая ценный инструмент для понимания эволюционной истории нашей галактики.
Каждая галактика окружена ореолом таинственной темной материи, которая может быть обнаружена только косвенно, наблюдая ее гравитационные эффекты. Невидимый ореол намного больше и более сферический, чем светящаяся галактика в ее центре. Недавние компьютерные моделирования показали, что гало удивительно комковатое, с относительно плотными концентрациями темной материи в гравитационно связанных «субгало» внутри гало. Новое исследование, которое было принято для публикации в Astrophysical Journal, показывает гораздо более обширную структуру, чем любое предыдущее исследование.
«Мы находим почти 10 000 субгало, примерно на один порядок больше, чем в любых прошлых симуляциях, и некоторые из наших субгало демонстрируют« субструктуру ». Это ожидалось теоретически, но мы впервые показали это в численном моделировании», - сказал он. Пьеро Мадау, профессор астрономии и астрофизики в UCSC и соавтор газеты.
Йорг Диманд, постдокторант Хаббла в UCSC и первый автор статьи, сказал, что новые результаты усугубляют так называемую «проблему пропавшего спутника». Проблема заключается в том, что комковатость нормальной материи в нашей галактике и вокруг нее - в виде карликовых галактик-спутников - не соответствует комковатости темной материи, наблюдаемой при моделировании.
«Астрономы продолжают открывать новые карликовые галактики, но их осталось всего около 15 или около того, по сравнению с примерно 120 субгало темной материи сопоставимого размера в нашем моделировании. Так какие из них содержат карликовые галактики и почему? Диманд сказал.
По словам Мадау, теоретические модели, в которых звездообразование ограничено определенными типами ореолов темной материи - достаточно массивными или рано образующимися, - могут помочь устранить это расхождение.
Хотя природа темной материи остается загадкой, на ее долю приходится около 82 процентов вещества во вселенной. В результате эволюция структуры во вселенной была вызвана гравитационными взаимодействиями темной материи. «Нормальная» материя, которая образует газ и звезды, упала в «гравитационные ямы», созданные сгустками темной материи, породив галактики в центрах гало темной материи.
Первоначально гравитация действовала на небольшие колебания плотности, присутствующие вскоре после Большого взрыва, чтобы сплотить первые скопления темной материи. Они выросли в большие и большие скопления благодаря иерархическому слиянию меньших предшественников. Это процесс, который исследователи UCSC смоделировали на суперкомпьютере Columbia в исследовательском центре Эймса НАСА, одном из самых быстрых компьютеров в мире. Имитация заняла пару месяцев, чтобы запустить от 300 до 400 процессоров за 320 000 «процессорных часов», сказал Diemand.
Соавтор Майкл Кухлен, который начал работать над проектом в качестве аспиранта в UCSC и в настоящее время работает в Институте перспективных исследований в Принстоне, сказал, что исследователи установили начальные условия, основываясь на самых последних результатах Уилкинсоновского исследования микроволновой анизотропии (WMAP). эксперимент. Вышедшие в марте новые результаты WMAP дают самую детальную картину детской вселенной.
Моделирование начинается примерно через 50 миллионов лет после Большого взрыва и рассчитывает взаимодействия 234 миллионов частиц темной материи за 13,7 миллиардов лет космологического времени, чтобы произвести гало в том же масштабе, что и Млечный путь. Скопления в гало - это остатки слияний, в которых ядра меньших гало выжили в виде гравитационно связанных субгало, вращающихся внутри большей системы-хозяина.
Моделирование произвело пять массивных субгало (каждый более чем в 30 миллионов раз больше массы Солнца) и много меньших внутри внутренних 10 процентов гало хозяина. Однако только одна известная галактика-карлик (Стрелец) находится так близко к центру Млечного Пути, сказал Диманд.
«В той же области, где находится диск Млечного Пути, есть большие скопления темной материи. Поэтому даже в окрестностях нашей солнечной системы распределение темной материи может быть более сложным, чем мы предполагали », - сказал он.
Астрономы могут обнаруживать скопления темной материи в гало Млечного Пути с помощью будущих телескопов с гамма-излучением, но только в том случае, если темная материя состоит из типов частиц, которые могут вызвать гамма-излучение. Некоторые кандидаты в темную материю, такие как нейтралино, теоретическая частица, предсказанная теорией суперсимметрии, могут аннигилировать (то есть взаимно разрушаться) при столкновениях, генерируя новые частицы и испуская гамма-лучи.
«Существующие гамма-телескопы не обнаружили аннигиляции темной материи, но предстоящие эксперименты будут более чувствительными, поэтому есть некоторая надежда, что отдельные субгало могут дать заметную сигнатуру», - сказал Кюлен.
В частности, астрономы с нетерпением ждут интересных результатов от космического телескопа большой площади Gamma Ray (GLAST), запуск которого запланирован на 2007 год, сказал он.
По словам Диманда, моделирование также предоставляет полезный инструмент для астрономов-наблюдателей, изучающих самые старые звезды в нашей галактике, обеспечивая связь между текущими наблюдениями и ранними фазами формирования галактики.
«Первые маленькие галактики образовались очень рано, примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва, и в нашей галактике до сих пор есть звезды, которые сформировались в это раннее время, как окаменелая запись раннего звездообразования. Наша симуляция может дать представление о том, откуда взялись эти старые звезды и как они оказались в карликовых галактиках и на определенных орбитах звездного гало сегодня », - сказал Диманд.
Первоисточник: Пресс-релиз UC Santa Cruz
