Bildnachweis: Berkeley
Dunkle Materie ist ein unsichtbarer Lichthof aus Material, der jede Galaxie zu umgeben scheint. Bisher glaubten Astronomen, dass dunkle Materie wahrscheinlich einen gleichmäßigen Teilchennebel im Weltraum bildet, aber Forscher von UC Berkeley und MIT haben eine Computersimulation erstellt, wie dunkle Materie zu größeren Materialstücken zusammenklumpen könnte.
Die „dunkle Materie“, die ein noch unentdecktes Viertel des Universums ausmacht, ist kein einheitlicher kosmischer Nebel, sagt ein Astrophysiker der University of California in Berkeley, sondern bildet dichte Klumpen, die sich wie Staubmotive bewegen, die in einem Schacht aus tanzen Licht.
In einem Artikel, der diese Woche bei Physical Review D eingereicht wurde, beweisen Chung-Pei Ma, Associate Professor für Astronomie an der UC Berkeley, und Edmund Bertschinger vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), dass die Bewegung von Klumpen dunkler Materie modelliert werden kann ein Weg ähnlich der Brownschen Bewegung von Staub oder Pollen in der Luft.
Ihre Ergebnisse sollten Astrophysikern eine neue Möglichkeit bieten, die Entwicklung dieses Geisteruniversums der Dunklen Materie zu berechnen und mit dem beobachtbaren Universum in Einklang zu bringen, sagte Ma.
Dunkle Materie ist seit mehr als 30 Jahren ein quälendes Problem für die Astronomie. Sterne in Galaxien und Galaxien in Clustern bewegen sich auf eine Weise, die anzeigt, dass sich dort mehr Materie befindet, als wir sehen können. Diese unsichtbare Materie scheint sich in einem kugelförmigen Lichthof zu befinden, der sich wahrscheinlich zehnmal weiter erstreckt als der sichtbare Sternhalo um Galaxien. Frühe Vorschläge, dass die unsichtbare Materie aus ausgebrannten Sternen oder schweren Neutrinos besteht, sind nicht aufgegangen, und die aktuellen Lieblingskandidaten sind exotische Teilchen, die als Neutrilinos, Axionen oder andere hypothetische supersymmetrische Teilchen bezeichnet werden. Da diese exotischen Teilchen nur durch die Schwerkraft und nicht über elektromagnetische Wellen mit gewöhnlicher Materie interagieren, emittieren sie kein Licht.
"Wir sehen nur die Hälfte aller Partikel", sagte Ma. "Sie sind zu schwer, um sie jetzt in Beschleunigern zu produzieren. Die Hälfte der Welt kennen wir also nicht."
Das Bild wurde erst vor vier Jahren schlechter, als festgestellt wurde, dass „dunkle Energie“ noch häufiger vorkommt als dunkle Materie. Das kosmische Konto fixiert jetzt dunkle Energie auf ungefähr 69 Prozent des Universums, exotische dunkle Materie auf 27 Prozent, weltliche dunkle Materie - dunkle, unsichtbare Sterne - auf 3 Prozent und das, was wir tatsächlich sehen, auf nur 1 Prozent.
Basierend auf Computermodellen, wie sich dunkle Materie unter der Schwerkraft bewegen würde, sagte Ma, dass dunkle Materie kein einheitlicher Nebel ist, der Galaxienhaufen umhüllt. Stattdessen bildet dunkle Materie kleinere Klumpen, die oberflächlich den Galaxien und Kugelhaufen ähneln, die wir in unserem leuchtenden Universum sehen. Die dunkle Materie hat ein dynamisches Leben unabhängig von der leuchtenden Materie, sagte sie.
"Der kosmische Mikrowellenhintergrund zeigt die frühen Auswirkungen der Verklumpung dunkler Materie, und diese Klumpen wachsen unter der Anziehungskraft der Schwerkraft", sagte sie. „Aber jeder dieser Klumpen, der Lichthof um Galaxienhaufen, wurde als glatt angesehen. Die Leute waren fasziniert, dass hochauflösende Simulationen zeigen, dass sie nicht glatt sind, sondern komplizierte Unterstrukturen haben. Die dunkle Welt hat ein dynamisches Eigenleben. “
Ma, Bertschinger und Michael Boylan-Kolchin, Doktorand an der UC Berkeley, führten einige dieser Simulationen selbst durch. Mehrere andere Gruppen haben in den letzten zwei Jahren ähnliche Verklumpungen gezeigt.
Das Geisteruniversum der Dunklen Materie sei eine Vorlage für das sichtbare Universum, sagte sie. Dunkle Materie ist 25-mal häufiger als nur sichtbare Materie, daher sollte sich sichtbare Materie überall dort ansammeln, wo sich dunkle Materie ansammelt.
Darin liegt das Problem, sagte Ma. Computersimulationen der Entwicklung der dunklen Materie sagen weit mehr Klumpen dunkler Materie in einer Region voraus, als es Klumpen leuchtender Materie gibt, die wir sehen können. Wenn Lichtmaterie auf dunkle Materie folgt, sollte es jeweils nahezu gleich viele geben.
"Unsere Galaxie, die Milchstraße, hat ungefähr ein Dutzend Satelliten, aber in Simulationen sehen wir Tausende von Satelliten dunkler Materie", sagte sie. "Dunkle Materie in der Milchstraße ist eine dynamische, lebendige Umgebung, in der Tausende kleinerer Satelliten aus Klumpen dunkler Materie um einen großen übergeordneten Halo aus dunkler Materie schwärmen und ständig miteinander interagieren und sich gegenseitig stören."
Darüber hinaus waren Astrophysiker, die die Bewegung der Dunklen Materie modellierten, verwirrt, als sie feststellten, dass jeder Klumpen eine Dichte aufwies, die in der Mitte ihren Höhepunkt erreichte und unabhängig von ihrer Größe auf genau dieselbe Weise zu den Rändern abfiel. Dieses universelle Dichteprofil scheint jedoch im Widerspruch zu Beobachtungen einiger Zwerggalaxien zu stehen, die unter anderem von Ma's Kollegen, UC Berkeley-Professor für Astronomie Leo Blitz, und seiner Forschungsgruppe gemacht wurden.
Ma hofft, dass eine neue Sichtweise auf die Bewegung der Dunklen Materie diese Probleme und die Quadrat-Theorie mit Beobachtung lösen wird. In ihrem Artikel über die physikalische Überprüfung, der Anfang dieses Jahres auf einem Treffen der American Physical Society erörtert wurde, hat sie bewiesen, dass die Bewegung der Dunklen Materie ähnlich wie die Brownsche Bewegung modelliert werden kann, die der Botaniker Robert Brown 1828 und Albert Einstein in einem wegweisenden Jahr 1905 beschrieben haben Papier, das ihm 1921 den Nobelpreis für Physik einbrachte.
Die Brownsche Bewegung wurde zuerst als der Zick-Zack-Weg beschrieben, der von einem im Wasser schwimmenden Pollenkorn zurückgelegt wird, das von mit ihm kollidierenden Wassermolekülen herumgeschoben wird. Das Phänomen bezieht sich gleichermaßen auf die Bewegung von Staub in der Luft und dichten Klumpen dunkler Materie im Universum der dunklen Materie, sagte Ma.
Diese Erkenntnis "verwenden wir eine andere Sprache, eine andere Sichtweise als die Standardansicht", um die Bewegung und Entwicklung der Dunklen Materie zu untersuchen, sagte sie.
Andere Astronomen, wie der emeritierte Professor für Astronomie an der UC Berkeley, Ivan King, haben die Theorie der Brownschen Bewegung verwendet, um die Bewegung von Hunderttausenden von Sternen innerhalb von Sternhaufen zu modellieren, aber dies, sagte Ma, „ist das erste Mal, dass sie angewendet wurde rigoros zu großen kosmologischen Maßstäben. Die Idee ist, dass es uns nicht genau interessiert, wo sich die Klumpen befinden, sondern wie sich Klumpen statistisch im System verhalten und wie sie sich gravitativ streuen. "
Ma bemerkte, dass die Brownsche Bewegung von Klumpen durch eine Gleichung bestimmt wird, die Fokker-Planck-Gleichung, die verwendet wird, um viele stochastische oder zufällige Prozesse, einschließlich des Aktienmarktes, zu modellieren. Ma und Mitarbeiter arbeiten derzeit an der Lösung dieser Gleichung für kosmologische Dunkle Materie.
"Es ist überraschend und erfreulich, dass die Entwicklung der Dunklen Materie, die Entwicklung der Klumpen, einer einfachen, 90 Jahre alten Gleichung folgt", sagte sie.
Die Arbeit wurde von der National Aeronautics and Space Administration unterstützt.
Ursprüngliche Quelle: UC Berkeley
