NASAs mest kraftfulde supercomputer har hjulpet forskere med at simulere haloen af mørkt stof, der omgiver Mælkevejen. Denne nye computersimulering viser, hvordan den mørke substans klumper sig sammen til "subhaloer" i den større glorie, der omgiver Mælkevejen. Dette er lidt af et puslespil, da den mørke sag ikke stemmer overens med sammenklumpningen af satellitgalakser, der omgiver os.
Forskere ved University of California, Santa Cruz, har brugt NASAs mest magtfulde supercomputer til at køre den største simulering til dato for dannelsen og udviklingen af den mørke stof-glorie, der omslutter Mælkevejen. Deres resultater viser underkonstruktioner inden for glorie i hidtil uset detalje, hvilket giver et værdifuldt værktøj til at forstå vores galakses evolutionære historie.
Hver galakse er omgivet af en glorie af mystisk mørk stof, der kun kan opdages indirekte ved at observere dens gravitationseffekter. Den usynlige glorie er meget større og mere sfærisk end den lysende galakse i midten. Nylige computersimuleringer har vist, at glorie er overraskende klumpet med relativt tætte koncentrationer af mørkt stof i gravitationsbundet 'subhaloer' i haloen. Den nye undersøgelse, som er blevet accepteret til offentliggørelse i Astrophysical Journal, viser meget mere omfattende understruktur end nogen tidligere undersøgelse.
”Vi finder næsten 10.000 subhaloer, ca. en størrelsesorden mere end i nogen tidligere simuleringer, og nogle af vores subhaloer udviser” sububstruktur. ”Dette var teoretisk forventet, men vi har vist det for første gang i en numerisk simulering,” sagde Piero Madau, professor i astronomi og astrofysik ved UCSC og medforfatter til papiret.
Jürg Diemand, en Hubble-postdoktor ved UCSC og første forfatter af papiret, sagde, at de nye resultater forværrer det, der er kendt som ”manglende satellitproblem.” Problemet er, at klumpheden af det normale stof i og omkring vores galakse - i form af dværgssatellitsgalakser - ikke stemmer overens med klumpenheden i det mørke stof, der ses i simuleringen.
”Astronomer opdager fortsat nye dværggalakser, men der er stadig kun ca. 15 eller deromkring sammenlignet med ca. 120 mørke substanser af sammenlignelig størrelse i vores simulering. Så hvilke er værter for dværg galakserne, og hvorfor? ” Sagde Diemand.
Teoretiske modeller, hvor stjernedannelse er begrænset til bestemte typer af halo af mørkt stof - tilstrækkelig massive eller tidligt dannende - kan hjælpe med at løse uoverensstemmelsen, sagde Madau.
Selvom arten af mørk stof forbliver et mysterium, ser det ud til at tegne sig for omkring 82 procent af stoffet i universet. Som et resultat er udviklingen af struktur i universet drevet af tyngdekrafts interaktion med mørkt stof. Den "normale" stof, der danner gas og stjerner, er faldet i de "tyngdepunktsbrønde", der er skabt af klumper af mørkt stof, hvilket giver anledning til galakser i centrum af halo af mørkt stof.
Oprindeligt virkede tyngdekraften på svage tæthedsudsving, der var til stede kort efter Big Bang for at samle de første klumper af mørkt stof. Disse voksede ud til større og større klumper gennem den hierarkiske fusion af mindre forfædre. Dette er den proces, som UCSC-forskere simulerede på Columbia-supercomputeren ved NASA Ames Research Center, en af de hurtigste computere i verden. Det tog et par måneder at gennemføre simuleringen og kørte på 300 til 400 processorer ad gangen i 320.000 "cpu-timer," sagde Diemand.
Medforfatter Michael Kuhlen, der begyndte at arbejde på projektet som kandidatstuderende ved UCSC og nu er ved Institut for Avanceret Studie i Princeton, sagde, at forskerne satte de indledende betingelser baseret på de seneste resultater fra Wilkinson Microbølgeovn Anisotropy Probe (WMAP) eksperiment. Udgivet i marts giver de nye WMAP-resultater det mest detaljerede billede nogensinde af spædbarnsuniverset.
Simuleringen starter omkring 50 millioner år efter Big Bang og beregner samspillet mellem 234 millioner partikler af mørkt stof over 13,7 milliarder år kosmologisk tid til at producere en glorie i samme skala som Mælkevejen. Klumperne i haloen er resterne af fusioner, hvor kernerne i mindre glorier overlevede som gravitationsbundet subhaloer, der kredsede i det større værtssystem.
Simuleringen producerede fem massive subhaloer (hver mere end 30 millioner gange solens masse) og mange mindre inden i den indre 10 procent af værtshalogen. Alligevel er kun en kendt dværggalakse (Skytten) der tæt på centrum af Mælkevejen, sagde Diemand.
”Der er store klumper af mørkt stof i den samme region, hvor Mælkevejen ville være. Så selv i det lokale kvarter i vores solsystem kan distributionen af mørkt stof være mere kompliceret, end vi har antaget, ”sagde han.
Astronomer kan muligvis registrere klumper af mørkt stof inden for Mælkevejens glorie med fremtidige gammastråleteleskoper, men kun hvis det mørke stof består af de typer partikler, der ville give anledning til gammastråleemissioner. Visse kandidater til mørkt stof - såsom neutralino, en teoretisk partikel, der er forudsagt af supersymmetri-teori - kunne udslette (det vil sige gensidigt ødelægges) i kollisioner, generere nye partikler og udsende gammastråler.
”Eksisterende gammastråleteleskoper har ikke fundet udslettelse af mørkt stof, men kommende eksperimenter vil være mere følsomme, så der er et håb om, at individuelle subhaloer kan producere en observerbar signatur,” sagde Kuhlen.
Især ser astronomer frem til interessante resultater fra det store teleskop (GLAST) Gamma Ray, der var planlagt til lancering i 2007, sagde han.
Simuleringen giver også et nyttigt værktøj til observations astronomer, der studerer de ældste stjerner i vores galakse ved at tilvejebringe en forbindelse mellem aktuelle observationer og tidligere faser af galaksdannelse, sagde Diemand.
”De første små galakser dannede meget tidligt, ca. 500 millioner år efter Big Bang, og der er stadig i dag stjerner i vores galakse, der dannede sig på dette tidlige tidspunkt, ligesom en fossil registrering af den tidlige stjernedannelse. Vores simulering kan give konteksten for, hvor de gamle stjerner kom fra, og hvordan de endte i dværg galakser og i bestemte kredsløb i den stellar glorie i dag, ”sagde Diemand.
Original kilde: UC Santa Cruz News Release
