Billedkredit: Berkeley
Mørkt stof er en usynlig glorie af materiale, der ser ud til at omgiver enhver galakse. Indtil nu mente astronomer, at mørkt stof sandsynligvis dannede en jævn tåge af partikler i rummet, men forskere fra UC Berkeley og MIT har oprettet en computersimulering af, hvordan mørkt stof kan klumpe sig sammen til større bunker af materiale.
Den "mørke stof", der består af en stadig uopdaget en fjerdedel af universet, er ikke en ensartet kosmisk tåge, siger et University of California, Berkeley, astrofysiker, men danner i stedet tætte klumper, der bevæger sig som støvmoter, der danser i en skaft af lys.
I et papir, der blev forelagt denne uge til Physical Review D, Chung-Pei Ma, en lektor i astronomi ved UC Berkeley, og Edmund Bertschinger fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), beviser, at bevægelsen af mørke stofklumper kan modelleres i en måde, der ligner den browniske bevægelse af luftbåret støv eller pollen.
Deres fund skulle give astrofysikere en ny måde at beregne udviklingen af dette spøgelsesunivers af mørkt stof og forene det med det observerbare univers, sagde Ma.
Mørk stof har været et irriterende problem for astronomi i mere end 30 år. Stjerner inden for galakser og galakser inden i klynger bevæger sig på en måde, der indikerer, at der er mere stof der, end vi kan se. Denne usynlige sag ser ud til at befinde sig i en sfærisk glorie, der sandsynligvis strækker sig 10 gange længere end den synlige stjernen halo omkring galakser. Tidlige forslag om, at det usynlige stof er sammensat af udbrændte stjerner eller tunge neutrinoer, er ikke panoreret, og de nuværende favoritkandidater er eksotiske partikler, der forskellige kaldes neutrilino, aksioner eller andre hypotetiske supersymmetriske partikler. Da disse eksotiske partikler kun interagerer med almindeligt stof gennem tyngdekraften, ikke via elektromagnetiske bølger, udsender de intet lys.
”Vi ser kun halvdelen af alle partikler,” sagde Ma. "De er for tunge til at producere nu i acceleratorer, så halvdelen af verden ved vi ikke om."
Billedet blev kun værre for fire år siden, da "mørk energi" blev fundet at være endnu mere udbredt end mørk stof. Den kosmiske konto knytter nu mørk energi til ca. 69 procent af universet, eksotisk mørkt stof ved 27 procent, jordisk mørkt stof - svage, usete stjerner - på 3 procent, og hvad vi faktisk ser på kun 1 procent.
Baseret på computermodeller af, hvordan mørkt stof ville bevæge sig under tyngdekraften, sagde Ma, at mørkt stof ikke er en ensartet tåge, der omslutter galakser. I stedet danner mørkt stof mindre klumper, der ligner overfladisk som galakser og kugleformede klynger, vi ser i vores lysende univers. Den mørke stof har et dynamisk liv uafhængigt af lysstof, sagde hun.
”Den kosmiske mikrobølgebakgrund viser de tidlige virkninger af, at mørkt stof klumper sig sammen, og disse klumper vokser under tyngdepunkt,” sagde hun. ”Men hver af disse klumper, haloen omkring galakse klynger, blev antaget at være glat. Folk blev fascinerede af at opdage, at simuleringer i høj opløsning viser, at de ikke er glatte, men i stedet har komplicerede understrukturer. Den mørke verden har et eget dynamisk liv. ”
Ma, Bertschinger og UC Berkeley-kandidatstuderende Michael Boylan-Kolchin udførte nogle af disse simuleringer selv. Flere andre grupper i de sidste to år har også vist lignende sammenklumpning.
Spøgelsesuniverset med mørk stof er en skabelon for det synlige univers, sagde hun. Mørkt stof er 25 gange mere rigeligt end blot synlig stof, så synlige stoffer bør klynges uanset hvor mørke stoffer klynger.
Deri ligger problemet, sagde Ma. Computersimuleringer af udviklingen af mørkt stof forudsiger langt flere klumper af mørkt stof i en region end der er klumper af lysstoffer, vi kan se. Hvis lysstoffer følger mørkt stof, skal der være næsten ækvivalente antal af hver.
”Vores galakse, Mælkevejen, har omkring et dusin satellitter, men i simuleringer ser vi tusinder af satellitter af mørkt stof,” sagde hun. ”Mørkt stof i Mælkevejen er et dynamisk, livligt miljø, hvor tusinder af mindre satellitter af klods af mørke stoffer svirrer rundt om en halo af mørke stoffer med stor forælder, der konstant interagerer og forstyrrer hinanden.”
Derudover blev astrofysikere, der modellerede bevægelsen af mørkt stof, forundrede over at se, at hver klump havde en densitet, der toppede i midten og faldt ned mod kanterne på nøjagtigt samme måde, uafhængig af dens størrelse. Denne universelle tæthedsprofil ser imidlertid ud til at være i konflikt med observationer af nogle dværg galakser foretaget af Ma's kollega, UC Berkeley professor i astronomi Leo Blitz, og hans forskergruppe, blandt andre.
Ma håber, at en ny måde at se bevægelsen af mørkt stof på vil løse disse problemer og den firkantede teori med observation. I sin Physical Review-artikel, der blev drøftet på et møde tidligere i år i American Physical Society, beviste hun, at bevægelsen af mørkt stof kan modelleres meget som den browniske bevægelse, som botaniker Robert Brown beskrev i 1828 og Albert Einstein forklarede i en seminal 1905 papir, der hjalp med at skaffe ham Nobelprisen i fysik fra 1921.
Brownsk bevægelse blev først beskrevet som zigzagstien, der kørte af et pollenkorn, der flydede i vand, skubbet rundt af vandmolekyler, der kolliderede med det. Fænomenet henviser ligeledes til bevægelse af støv i luft og tætte klumper af mørkt stof i det mørke stofunivers, sagde Ma.
Denne indsigt "lad os bruge et andet sprog, et andet synspunkt end standardvisningen," til at undersøge bevægelse og udvikling af mørk stof, sagde hun.
Andre astronomer, såsom UC Berkeley emeritus-professor i astronomi Ivan King, har brugt teorien om Brownsk bevægelse til at modellere bevægelsen af hundreder af tusinder af stjerner inden for stjerneklynger, men dette, sagde Ma, “er første gang det er blevet anvendt strengt til store kosmologiske skalaer. Tanken er, at vi ikke er ligeglade med hvor klumperne er, men snarere hvordan klumper opfører sig statistisk i systemet, hvordan de spreder gravitationsmæssigt. ”
Ma bemærkede, at den browniske bevægelse af klumper styres af en ligning, Fokker-Planck-ligningen, der bruges til at modellere mange stokastiske eller tilfældige processer, inklusive aktiemarkedet. Ma og samarbejdspartnere arbejder i øjeblikket med at løse denne ligning for kosmologisk mørk stof.
”Det er overraskende og dejligt, at udviklingen af mørkt stof, udviklingen af klumper adlyder en simpel, 90 år gammel ligning,” sagde hun.
Arbejdet blev støttet af National Aeronautics and Space Administration.
Original kilde: UC Berkeley
