Kuvan luotto: Berkeley
Tumma aine on näkymätön materiaalin halo, joka näyttää ympäröivän kaikkia galakseja. Tähän asti tähtitieteilijät uskoivat, että tumma aine muodosti todennäköisesti tasaisen hiukkassumun avaruudessa, mutta UC Berkeleyn ja MIT: n tutkijat ovat luoneet tietokoneen simulaation siitä, kuinka tumma aine voi ryhmittyä suurempiin materiaalipalasiin.
Kalifornian yliopiston Berkeleyn astrofysiikan tutkija toteaa, että "pimeä aine", joka käsittää vielä tuntemattoman neljänneksen maailmankaikkeudesta, ei ole yhtenäistä kosmista sumua, vaan muodostaa sen sijaan tiheitä kohoumia, jotka liikkuvat kuin pölymotivat tanssivat valo.
UC Berkeleyn astronomian apulaisprofessori Chung-Pei Ma ja Edmund Bertschinger Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) osoittavat tällä viikolla Physical Review D: lle toimitetussa lehdessä osoittavansa, että tumman aineen kohoumien liikettä voidaan mallintaa tavalla, joka on samanlainen kuin ilman kulkeman pölyn tai siitepölyn Brownian-liike.
Heidän löytönsä pitäisi tarjota astrofysiikille uusi tapa laskea tämän pimeän aineen aavemaailman kehitys ja sovittaa se havainnoitavan maailmankaikkeuden kanssa, Ma sanoi.
Tumma aine on ollut tähtitieteen tuhma ongelma yli 30 vuoden ajan. Tähdet galakseissa ja klustereiden galaksit liikkuvat tavalla, joka osoittaa, että siellä on enemmän ainetta kuin voimme nähdä. Tämä näkymätön asia näyttää olevan pallomaisessa halogeenissa, joka ulottuu todennäköisesti 10 kertaa kauempana kuin galaksien ympärillä näkyvä tähtien halo. Aikaisia ehdotuksia siitä, että näkymätön aine koostuu palanut tähdestä tai raskaista neutriinoista, ei ole poistettu, ja nykyiset suosikkiehdokkaat ovat eksoottisia hiukkasia, joita kutsutaan erilaisiksi neutrilinoiksi, aksioineiksi tai muiksi hypoteettisiksi supersymmetrisiksi hiukkasiksi. Koska nämä eksoottiset hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa vain painovoiman kautta, ei sähkömagneettisten aaltojen kautta, ne eivät säteile valoa.
"Näemme vain puolet kaikista hiukkasista", Ma sanoi. "Ne ovat liian raskaita tuottamaan nyt kiihdyttimissä, joten puolet maailmasta, josta emme tiedä."
Kuva paheni vasta neljä vuotta sitten, kun ”pimeän energian” todettiin olevan vielä yleisempiä kuin tumma aine. Kosminen tili kiinnittää tumman energian nyt noin 69 prosentilla maailmankaikkeudesta, eksoottisen tumman aineen 27 prosentilla, maallisen tumman aineen - himmeät, näkymättömät tähdet - 3 prosentilla, ja mitä me itse näemme vain yhdellä prosentilla.
Perustuen tietokonemalleihin siitä, kuinka tumma aine liikkuu painovoiman vaikutuksesta, Ma sanoi, että tumma aine ei ole yhtenäinen sumu, joka ympäröi galaksien klustereita. Sen sijaan tumma aine muodostaa pienempiä pahoja, jotka näyttävät pinnalliselta kuin galaksit ja ympyräklusterit, joita näemme valaisevassa universumissamme. Pimeällä aineella on dynaaminen elämä, joka on riippumaton valoaineesta, hän sanoi.
"Kosminen mikroaaltotausta osoittaa tumman aineen kohoamisen varhaiset vaikutukset, ja nämä palat kasvavat painovoiman alla", hän sanoi. "Mutta jokaisen näiden klumpien, galaksiklusterien ympärillä olevan halogeenin, ajateltiin olevan sileä. Ihmiset olivat kiinnostuneita huomaamaan, että korkearesoluutioiset simulaatiot osoittavat, että ne eivät ole tasaisia, vaan niillä on monimutkaiset alirakenteet. Pimeällä maailmassa on oma dynaaminen elämänsä. ”
Ma, Bertschinger ja UC Berkeleyn jatko-opiskelija Michael Boylan-Kolchin suorittivat osan näistä simulaatioista itse. Useat muut ryhmät kahden viime vuoden aikana ovat myös osoittaneet samanlaista paakkuutta.
Pimeän aineen haamuuniversumi on malli näkyvälle maailmankaikkeudelle, hän sanoi. Tumma aine on 25 kertaa runsaampi kuin pelkkä näkyvä aine, joten näkyvän aineen tulisi klusteroitua kaikkialle, missä tumma aine klusteroituu.
Siinä on ongelma, Ma sanoi. Tumman aineen kehityksen atk-simulaatiot ennustavat paljon enemmän tumman aineen muodostumia alueella kuin mitä on havaittavissa olevia valoainekokoja. Jos valoaine seuraa tummaa ainetta, jokaisella pitäisi olla lähes yhtä monta lukua.
"Galaksissamme, Linnunradalla, on noin tusina satelliittia, mutta simulaatioissa näemme tuhansia tumman aineen satelliitteja", hän sanoi. "Linnunradan pimeä aine on dynaaminen, vilkas ympäristö, jossa tuhannet pienemmät pimeän aineen ryhmät satelliittien parveilevat isovanhemman pimeän aineen halon ympärillä, jatkuvasti vuorovaikutuksessa ja häiritsemällä toisiaan."
Lisäksi tumman aineen liikettä mallinnuttavat astrofysiikit hämmentyivät nähdäkseen, että jokaisella klumpilla oli tiheys, joka saavutti huipun keskellä ja putosi reunoja kohti täsmälleen samalla tavalla, riippumatta sen koosta. Tämä yleinen tiheysprofiili näyttää kuitenkin olevan ristiriidassa muun muassa Maan kollegan, UC Berkeleyn tähtitieteen professori Leo Blitzin ja hänen tutkimusryhmänsä tekemien joidenkin kääpiögalaksejen havaintojen kanssa.
Ma toivoo, että uusi tapa tarkastella pimeän aineen liikettä ratkaisee nämä ongelmat ja neliöteorian havainnoimalla. Fyysisen katsauksen artikkelissaan, jota käsiteltiin aiemmin tänä vuonna pidetyssä American Physical Society -kokouksessa, hän osoitti, että tumman aineen liikettä voidaan mallintaa paljon kuin Brownin liikettä, jonka kasvitieteilijä Robert Brown kuvasi vuonna 1828 ja Albert Einstein selvitti vuonna 1905 paperi, joka auttoi hankkimaan hänelle vuoden 1921 fysiikan Nobel-palkinnon.
Brownin liikettä kuvattiin ensin siksak-polulla, jonka kulki vedessä kelluva siitepölyjyvä, jota törmäävät vesimolekyylit sen ympärille. Ilmiö viittaa yhtä lailla pölyn liikkeeseen ilmassa ja tiheisiin tumman aineen kohoumiin pimeän aineuniversumissa, sanoi Ma.
Tämä näkemys "käyttäkäämme toista kieltä, erilaista näkökulmaa kuin tavallinen näkymä" tutkiakseen pimeän aineen liikettä ja kehitystä, hän sanoi.
Muut tähtitieteilijät, kuten UC Berkeleyn tähtitieteen professori Ivan King, ovat käyttäneet Brownin liikkeen teoriaa mallintaakseen satojen tuhansien tähtien liikettä tähtiklusterien sisällä, mutta tämä, Ma sanoi, ”on ensimmäinen kerta, kun sitä sovelletaan tarkasti suuriin kosmologisiin asteikkoihin. Ajatuksena on, että emme välitä tarkalleen missä möhkät ovat, vaan pikemminkin siitä, kuinka möhkät käyttäytyvät tilastollisesti järjestelmässä, kuinka ne sirontuvat painovoiman mukaan. "
Ma totesi, että Brownin ryhmittymien liikettä ohjaa yhtälö, Fokker-Planck-yhtälö, jota käytetään mallintamaan monia stokastisia tai satunnaisia prosesseja, mukaan lukien osakemarkkinat. Ma ja yhteistyökumppanit työskentelevät parhaillaan tämän yhtälön ratkaisemiseksi kosmologiselle pimeälle aineelle.
"On yllättävää ja ilahduttavaa, että tumman aineen kehitys, kohoumien kehitys noudattaa yksinkertaista, 90 vuotta vanhaa yhtälöä", hän sanoi.
Työtä tuki Kansallinen ilmailu- ja avaruushallinto.
Alkuperäinen lähde: UC Berkeley
