Bonus slike: Berkeley
Tamna materija je nevidljivi halo materijala koji kao da okružuje svaku galaksiju. Do sada su astronomi vjerovali da tamna tvar vjerojatno stvara ravnomjernu maglu u svemiru, ali istraživači iz UC Berkeley i MIT stvorili su računalnu simulaciju kako se tamna tvar može složiti u veće komade materijala.
"Tamna materija" koja se sastoji od još uvijek neotkrivene četvrtine svemira nije jednolika kozmička magla, kaže sveučilište u Kaliforniji, Berkeley, astrofizičar, već umjesto toga formira guste grozdove koji se kreću poput krtica prašine koji plešu u gredi svjetlo.
U radu koji je ovaj tjedan dostavljen u Physical Review D, Chung-Pei Ma, izvanredni profesor astronomije na UC Berkeley, i Edmund Bertschinger sa Massachusetts Institute of Technology (MIT), dokazuju da se gibanje nakupina tamne materije može modelirati u na sličan način kao Brownovo kretanje zrakom prašine ili peludi.
Njihova otkrića trebala bi astrofizičarima pružiti novi način izračunavanja evolucije ovog duhovnog svemira tamne materije i usklađivanja s univerzalom koji je promatran, rekao je Ma.
Tamna tvar je ozbiljan problem astronomije više od 30 godina. Zvijezde unutar galaksija i galaksije unutar klastera kreću se na način koji pokazuje da tamo ima više materije nego što možemo vidjeti. Čini se da se ta neviđena materija nalazi u sfernom halou koji se proteže vjerojatno 10 puta dalje od vidljivog zvjezdanog haloa oko galaksija. Rani prijedlozi da se nevidljiva tvar sastoji od izgorjelih zvijezda ili teških neutrina nisu se ispraznili, a trenutni omiljeni kandidati su egzotične čestice koje se inače nazivaju neutrilinosi, aksioni ili druge hipotetičke super-simetrične čestice. Budući da ove egzotične čestice komuniciraju s običnom materijom samo putem gravitacije, a ne putem elektromagnetskih valova, ne emitiraju svjetlost.
"Vidimo samo polovicu svih čestica", rekla je Ma. "Previše su teške za proizvodnju akceleratora, tako da polovinu svijeta ne znamo."
Slika se pogoršala tek prije četiri godine kada je pronađeno da je "tamna energija" još rasprostranjenija od tamne materije. Kozmički račun sada veže tamnu energiju u oko 69 posto svemira, egzotičnu tamnu tvar na 27 posto, svakodnevnu tamnu tvar - nejasnu, nevidljive zvijezde - na 3 posto, a ono što zapravo vidimo na samo 1 posto.
Na temelju računalnih modela kako će se tamna tvar kretati pod silom gravitacije, Ma je rekla da tamna tvar nije jednolika magla koja obavija grozdove galaksija. Umjesto toga, tamna tvar formira manje grozdove koji površno izgledaju poput galaksija i globularnih klastera koje vidimo u našem svjetlosnom svemiru. Tamna materija ima dinamičan život neovisan o svjetlosnoj materiji, rekla je.
"Kozmička mikrovalna pozadina pokazuje rane učinke nakupljanja tamne materije, a ti nakupini rastu pod gravitacijskom privlačnošću", rekla je. "Ali smatralo se da je svaki od ovih nakupina, oreola oko galaksija, glatka. Ljudi su bili zaintrigirani kada su ustanovili da simulacije visoke rezolucije pokazuju da nisu glatke, već da imaju zamršene potkonstrukcije. Mračni svijet ima svoj dinamičan život. "
Ma, Bertschinger i diplomski student UC Berkeley Michael Boylan-Kolchin sami su izveli neke od ovih simulacija. Nekoliko drugih skupina tijekom protekle dvije godine također je pokazalo slične skupine.
Svemir duhova tamne materije predložak je za vidljivi svemir, rekla je. Tamna tvar je 25 puta obilnija od puke vidljive materije, pa bi se vidljiva tvar trebala skupiti gdje god se grozdna tvar formira.
U tome leži problem, rekla je Ma. Računalne simulacije evolucije tamne materije predviđaju daleko više nakupina tamne materije u regiji nego što postoje nakupine svjetlosne materije koje možemo vidjeti. Ako svjetlosna tvar slijedi tamnu tvar, u njima bi trebala postojati gotovo jednaka brojka.
"Naša galaksija, Mliječni put, ima desetak satelita, ali u simulacijama vidimo tisuće satelita tamne materije", rekla je. "Tamna materija na Mliječnom putu dinamično je i živo okruženje u kojem se na tisuće manjih satelita nakupine tamne materije vrti oko velikog matičnog oreola matične materije, koji se neprestano međusobno mešaju i uznemiravaju."
Osim toga, astrofizičari koji su modelirali kretanje tamne materije bili su zbunjeni kada su vidjeli da svaki grozd ima gustoću koja je dosegnula u središtu i padne prema rubovima na potpuno isti način, neovisno o veličini. Čini se, međutim, da je ovaj profil gustoće u sukobu s opažanjima nekih patuljastih galaksija koje su napravili Maov kolega, profesor astronomije u UC Berkeleyu Leo Blitz i njegova istraživačka skupina.
Ma se nada da će novi način gledanja na kretanje tamne materije riješiti ove probleme i kvadratna teorija promatranjem. U svom članku Physical Review, o kojem je raspravljano na sastanku Američkog fizičkog društva ranije ove godine, dokazala je da se kretanje tamne materije može modelirati slično kao Brownov pokret koji je botaničar Robert Brown opisao 1828. godine, a Albert Einstein objasnio u seminaru 1905. papir koji mu je pomogao da dobije Nobelovu nagradu za fiziku iz 1921. godine.
Brownovo kretanje prvo je opisano kao cik-cak put kojim prolazi zrno peludi koje pluta u vodi, a koje guraju molekule vode koje se sudaraju s njim. Fenomen se jednako odnosi na kretanje prašine u zraku i guste nakupine tamne materije u svemiru tamne materije, rekao je Ma.
Ovaj uvid "upotrijebimo drugačiji jezik, drugačije gledište od standardnog", kako bismo istražili kretanje i evoluciju tamne materije, rekla je.
Drugi astronomi, poput profesora astronomije u UC Berkeley emeritus, Ivan King, koristili su teoriju Brownovskog pokreta za modeliranje kretanja stotina tisuća zvijezda unutar zvjezdanih grozdova, ali ovo je, kaže Ma, "prvi put kada je primijenjeno rigorozno do velikih kozmoloških mjerila. Ideja je da nas nije briga točno gdje se nalaze grudice, već kako se grudice statistički ponašaju u sustavu i kako se gravitaciono raspršuju. "
Ma je napomenuo da Brownovim kretanjem nakupina upravlja jednačina, Fokker-Planckova jednadžba, koja se koristi za modeliranje mnogih stohastičkih ili slučajnih procesa, uključujući i tržište dionica. Ma i suradnici trenutno rade na rješavanju ove jednadžbe za kozmološku tamnu tvar.
„Iznenađujuće je i drago što evolucija tamne materije, evolucija grudvica, podliježe jednostavnoj, 90-godišnjoj jednadžbi“, rekla je.
Rad je podržala Nacionalna uprava za zrakoplovstvo i svemir.
Izvorni izvor: UC Berkeley
