Изображение предоставлено: Беркли
Темная материя - это невидимый ореол материала, который, кажется, окружает каждую галактику. До сих пор астрономы полагали, что темная материя, вероятно, образовывала даже туман частиц в космосе, но исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Массачусетского технологического института создали компьютерную симуляцию того, как темная материя может слипаться в большие куски материала.
«Темная материя», которая составляет все еще необнаруженную четверть Вселенной, не является равномерным космическим туманом, говорит астрофизик Калифорнийского университета в Беркли, но вместо этого образует плотные комки, которые движутся, как пылинки, танцующие в шахте светлый.
В документе, представленном на этой неделе в Physical Review D, Чунг-Пей Ма, доцент астрономии в Калифорнийском университете в Беркли, и Эдмунд Бертшингер из Массачусетского технологического института (MIT) доказывают, что движение скоплений темной материи может быть смоделировано в способ похож на броуновское движение воздушной пыли или пыльцы.
Их открытия должны дать астрофизикам новый способ вычислить эволюцию этой призрачной вселенной темной материи и примирить ее с наблюдаемой вселенной, сказала Ма.
Темная материя была мучительной проблемой для астрономии на протяжении более 30 лет. Звезды внутри галактик и галактики внутри скоплений движутся так, что это указывает на то, что там больше материи, чем мы можем видеть. Кажется, что это невидимое вещество находится в сферическом гало, которое простирается, вероятно, в 10 раз дальше, чем видимое звездное гало вокруг галактик. Ранние предположения о том, что невидимая материя состоит из сгоревших звезд или тяжелых нейтрино, не оправдались, и текущие любимые кандидаты - это экзотические частицы, иначе называемые нейтрилино, аксионы или другие гипотетические суперсимметричные частицы. Поскольку эти экзотические частицы взаимодействуют с обычной материей только через гравитацию, а не через электромагнитные волны, они не излучают свет.
«Мы видим только половину всех частиц», - сказал Ма. «Сейчас они слишком тяжелы, чтобы производить их на ускорителях, поэтому о половине мира мы не знаем».
Картина только ухудшилась четыре года назад, когда «темная энергия» оказалась еще более распространенной, чем темная материя. Космический счет теперь привязывает темную энергию примерно к 69 процентам вселенной, экзотическую темную материю - к 27 процентам, мирскую темную материю - тусклые, невидимые звезды - к 3 процентам, и то, что мы на самом деле видим всего лишь на 1 проценте.
Основываясь на компьютерных моделях того, как темная материя будет двигаться под действием силы тяжести, Ма сказал, что темная материя не является однородным туманом, охватывающим скопления галактик. Вместо этого темная материя образует небольшие скопления, которые внешне похожи на галактики и шаровые скопления, которые мы видим в нашей светящейся вселенной. У темной материи есть динамическая жизнь, независимая от светящейся материи, сказала она.
«Космический микроволновый фон показывает ранние эффекты скопления темной материи, и эти скопления растут под действием гравитационного притяжения», - сказала она. «Но каждый из этих комков, гало вокруг скоплений галактик, считался гладким. Люди были заинтригованы, обнаружив, что моделирование с высоким разрешением показывает, что они не являются гладкими, но вместо этого имеют сложные подструктуры. Темный мир имеет свою собственную динамичную жизнь ».
Ма, Бертшингер и аспирант Калифорнийского университета в Беркли Майкл Бойлан-Колчин сами провели некоторые из этих симуляций. Несколько других групп за последние два года также продемонстрировали сходную группировку.
Она сказала, что призрачная вселенная темной материи - это шаблон для видимой вселенной. Темная материя в 25 раз больше, чем просто видимая материя, поэтому видимая материя должна собираться там, где сгущается темная материя.
В этом заключается проблема, сказала Ма. Компьютерное моделирование эволюции темной материи предсказывает гораздо больше скоплений темной материи в регионе, чем скоплений светящейся материи, которые мы можем видеть. Если светящаяся материя следует за темной материей, их должно быть почти эквивалентное количество.
«Наша галактика, Млечный Путь, насчитывает около десятка спутников, но при моделировании мы видим тысячи спутников темной материи», - сказала она. «Темная материя в Млечном Пути - это динамичная, оживленная среда, в которой тысячи меньших спутников сгустков темной материи роятся вокруг большого родительского гало темной материи, постоянно взаимодействуя и мешая друг другу».
Кроме того, астрофизики, моделирующие движение темной материи, были озадачены, увидев, что каждый комок имеет плотность, которая достигает максимума в центре и падает точно по краям, независимо от его размера. Однако этот универсальный профиль плотности, по-видимому, противоречит наблюдениям за некоторыми карликовыми галактиками, сделанными коллегой Ма, профессором астрономии Калифорнийского университета в Беркли Лео Блицем и его исследовательской группой.
Ма надеется, что новый взгляд на движение темной материи решит эти проблемы и квадратную теорию с наблюдением. В своей статье Physical Review, обсуждавшейся в начале этого года в Американском физическом обществе, она доказала, что движение темной материи можно смоделировать так же, как и броуновское движение, которое ботаник Роберт Браун описал в 1828 году, а Альберт Эйнштейн объяснил в оригинальной статье 1905 года. бумага, которая помогла ему получить Нобелевскую премию по физике 1921 года.
Броуновское движение было впервые описано как зигзагообразный путь, пройденный зерном пыльцы, плавающим в воде, толкаемым молекулами воды, сталкивающимися с ним. По словам Ма, это явление в равной степени относится к движению пыли в воздухе и плотным скоплениям темной материи во вселенной темной материи.
Это понимание «давайте использовать другой язык, другую точку зрения, чем стандартная точка зрения», чтобы исследовать движение и эволюцию темной материи, сказала она.
Другие астрономы, такие как почетный профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли Иван Кинг, использовали теорию броуновского движения для моделирования движения сотен тысяч звезд в звездных скоплениях, но, по словам Ма, «это первый раз, когда его применили строго в больших космологических масштабах. Идея заключается в том, что нас не волнует, где именно находятся скопления, а скорее, как скопления ведут себя статистически в системе, как они рассеиваются гравитационно ».
Ма отметил, что броуновское движение комков регулируется уравнением, уравнением Фоккера-Планка, которое используется для моделирования многих случайных или случайных процессов, включая фондовый рынок. Ма и сотрудники в настоящее время работают над решением этого уравнения для космологической темной материи.
«Удивительно и восхитительно, что эволюция темной материи, эволюция комков, подчиняется простому уравнению 90-летней давности», - сказала она.
Работа выполнена при поддержке Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.
Первоначальный источник: Калифорнийский университет в Беркли
