Credit imagine: Berkeley
Materia întunecată este un halo invizibil de material care pare să înconjoare fiecare galaxie. Până acum, astronomii credeau că materia întunecată a format probabil o ceață uniformă de particule în spațiu, însă cercetătorii de la UC Berkeley și MIT au creat o simulare computerizată a modului în care materia întunecată s-ar putea aglomera în bucăți de material mai mari.
„Materia întunecată” care cuprinde un sfert încă nedetectat al universului nu este o ceață cosmică uniformă, spune o Universitate din California, Berkeley, astrofizicistă, dar în schimb formează aglomerații dense care se mișcă ca niște motive de praf care dansează într-un puț de ușoară.
Într-o lucrare trimisă săptămâna aceasta la Physical Review D, Chung-Pei Ma, profesor asociat de astronomie la UC Berkeley, și Edmund Bertschinger de la Massachusetts Institute of Technology (MIT), dovedesc că mișcarea grupurilor de materie întunecată poate fi modelată în o modalitate similară cu mișcarea browniană a prafului sau a polenului.
Descoperirile lor ar trebui să ofere astrofizicienilor o nouă modalitate de a calcula evoluția acestui univers fantomă a materiei întunecate și de a-l împăca cu universul observabil, a spus Ma.
Materia întunecată a fost o problemă penibilă pentru astronomie de mai bine de 30 de ani. Stelele din galaxii și galaxiile din cluster se mișcă într-un mod care indică că există mai multă materie decât putem vedea. Această materie nevăzută pare să se afle într-un halou sferic care se extinde probabil de 10 ori mai îndepărtat decât halo stelar vizibil în jurul galaxiilor. Propunerile timpurii conform cărora materia invizibilă este alcătuită din stele arse sau neutrini grei nu s-au împiedicat, iar candidații favoriți actuali sunt particule exotice numite în mod diferit neutrilinoși, axiuni sau alte particule supersimetrice hipotetice. Deoarece aceste particule exotice interacționează cu materia obișnuită doar prin gravitație, nu prin intermediul undelor electromagnetice, ele nu emit lumină.
„Vedem doar jumătate din toate particulele”, a spus Ma. „Sunt prea grele pentru a produce acum în acceleratoare, așa că jumătate din lume nu știm.”
Imaginea s-a agravat abia acum patru ani, când s-a constatat că „energia întunecată” este chiar mai răspândită decât materia întunecată. Contul cosmic pune acum energia întunecată la aproximativ 69 la sută din univers, materia exotică întunecată la 27 la sută, materia întunecată mundană - stele slabe, nevăzute - la 3 la sută și ceea ce vedem de fapt la doar 1 la sută.
Pe baza modelelor computerizate despre modul în care materia întunecată s-ar muta sub forța gravitației, Ma a spus că materia întunecată nu este o ceață uniformă care înfășoară grupuri de galaxii. În schimb, materia întunecată formează grupuri mai mici care arată superficial ca galaxiile și grupurile globulare pe care le vedem în universul nostru luminos. Materia întunecată are o viață dinamică independentă de materia luminoasă, a spus ea.
„Fundalul cosmic cu microunde arată efectele timpurii ale aglomerării materiei întunecate, iar aceste aglomerații cresc sub atracție gravitațională”, a spus ea. „Dar fiecare dintre aceste aglomerări, halo din jurul grupurilor de galaxii, a fost crezut ca fiind lin. Oamenii au fost intrigați să constate că simulările de înaltă rezoluție arată că nu sunt netezi, ci au substructuri complexe. Lumea întunecată are o viață dinamică proprie. ”
Ma, Bertschinger și studentul absolvent al UC Berkeley, Michael Boylan-Kolchin, au efectuat singure unele dintre aceste simulări. Mai multe alte grupuri din ultimii doi ani au prezentat, de asemenea, o aglomerație similară.
Universul fantom al materiei întunecate este un șablon pentru universul vizibil, a spus ea. Materia întunecată este de 25 de ori mai abundentă decât simpla materie vizibilă, deci materia vizibilă ar trebui să se aglomereze oriunde se aglomerează materia întunecată.
Aici este problema, a spus Ma. Simulările pe computer ale evoluției materiei întunecate prezic mult mai multe aglomerații de materie întunecată într-o regiune decât se pot observa grupuri de materie luminoasă. Dacă materia luminoasă urmează materia întunecată, ar trebui să existe un număr aproape echivalent din fiecare.
"Galaxia noastră, Calea Lactee, are aproximativ o duzină de sateliți, dar în simulări vedem mii de sateliți cu materie întunecată", a spus ea. „Materia întunecată în Calea Lactee este un mediu dinamic, plin de viață, în care mii de sateliți mai mici de grupe de materie întunecată se învârt în jurul unui mare halo de materie întunecată, care interacționează constant și se deranjează reciproc.”
În plus, astrofizicienii care modelează mișcarea materiei întunecate au fost încurcați să vadă că fiecare aglomerație avea o densitate care atingea vârful în centru și cădea spre margini în același mod, independent de dimensiunea sa. Totuși, acest profil al densității universale pare să intre în conflict cu observațiile unor galaxii pitice făcute de colegul lui Ma, profesorul de astronomie UC Berkeley Leo Blitz și grupul său de cercetare, printre altele.
Ma speră că un nou mod de a privi mișcarea materiei întunecate va rezolva aceste probleme și teoria pătratului cu observația. În articolul ei de Physical Review, discutat la o întâlnire la începutul acestui an al Societății Americane de Fizică, ea a dovedit că mișcarea materiei întunecate poate fi modelată la fel ca mișcarea browniană, pe care botanistul Robert Brown a descris-o în 1828 și Albert Einstein a explicat într-un seminal din 1905 hârtie care l-a ajutat să obțină Premiul Nobel pentru fizică din 1921.
Mișcarea browniană a fost descrisă pentru prima dată ca calea în zig-zag parcursă de un bob de polen plutind în apă, împinsă de moleculele de apă care se ciocnesc cu acesta. Fenomenul se referă în mod egal la mișcarea prafului în aer și la aglomerații dense de materie întunecată în universul materiei întunecate, a spus Ma.
Această perspectivă „să folosim un limbaj diferit, un punct de vedere diferit de cel standard”, pentru a investiga mișcarea și evoluția materiei întunecate, a spus ea.
Alți astronomi, precum UC Berkeley, profesor emerit de astronomie Ivan King, au folosit teoria mișcării browniene pentru a modela mișcarea a sute de mii de stele în cadrul grupurilor de stele, dar aceasta, a spus Ma, „este prima dată când a fost aplicată riguros la scări cosmologice mari. Ideea este că nu ne pasă exact unde se găsesc aglomerările, ci mai degrabă, cum se comportă grupurile statistic în sistem, cum se împrăștie gravitațional. ”
Ma a menționat că mișcarea browniană a grupurilor este guvernată de o ecuație, ecuația Fokker-Planck, care este utilizată pentru modelarea multor procese stochastice sau aleatorii, inclusiv piața bursieră. Ma și colaboratorii lucrează în prezent la rezolvarea acestei ecuații pentru materia întunecată cosmologică.
„Este surprinzător și încântător faptul că evoluția materiei întunecate, evoluția aglomerărilor, se supune unei ecuații simple, vechi de 90 de ani,” a spus ea.
Lucrarea a fost susținută de Administrația Națională de Aeronautică și Spațiu.
Sursa originală: UC Berkeley
