Bliźniacze galaktyki pod lupą superkomputera – rewolucja w badaniach ciemnej materii
Naukowcy z USC kierowali rozwojem symulacji komputerowej, która daje astrofizykom mechanizm do testowania pomysłów na temat ciemnej materii i jej zachowania w Drodze Mlecznej i innych galaktykach.
Ta wizja artystyczna ilustruje nowy obraz Drogi Mlecznej. Dwa główne ramiona galaktyki są widoczne jako połączone z końcami grubej, centralnej poprzeczki, podczas gdy dwa zdegradowane ramiona mniejsze są mniej wyraźne i znajdują się pomiędzy ramionami głównymi.
Źródło: Dzięki uprzejmości NASA/JPL-Caltech
Zespół badawczy kierowany przez Uniwersytet Południowej Karoliny stworzył serię symulacji na superkomputerze bliźniaczych galaktyk Drogi Mlecznej. Może to pomóc naukowcom odkryć nowe odpowiedzi na temat jednej z największych tajemnic Wszechświata: ciemną materię, niewidzialną substancję, która stanowi około 85% całej istniejącej materii.
Badaniami kierowali kosmolog Vera Gluscevic, która jest profesorem nadzwyczajnym w USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences; a także Ethan Nadler, adiunkt na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego; oraz Andrew Benson, pracownik naukowy w Carnegie Observatories.
Swój projekt symulacyjny nazwali COZMIC, skrót od Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter. (Kosmologiczne symulacje powiększające z warunkami początkowymi wykraczającymi poza zimną ciemną materię).
Naukowcy od dziesięcioleci wiedzą, że ciemna materia istnieje – ale do tej pory nie mogli zbadać, w jaki sposób galaktyki rodzą się i ewoluują we Wszechświecie, w którym ciemna i normalna materia oddziałują ze sobą. COZMIC sprawił, że stało się to możliwe.
Rozwój COZMIC i wyniki zespołu zostały opisane w trzech badaniach opublikowanych w The Astrophysical Journal.
Serce ciemnej materii
Naukowcy wiedzą, że ciemna materia jest prawdziwa, ponieważ wpływa na to, jak galaktyki poruszają się i trzymają razem. Na przykład galaktyki wirują tak szybko, że powinny się rozpadać, ale tak się nie dzieje. Coś niewidzialnego trzyma je razem; wielu naukowców uważa, że ciemna materia jest tego przyczyną – pomysł ten został po raz pierwszy zasugerowany w 1933 roku przez szwajcarskiego badacza, Fritza Zwicky’ego. Od tego czasu badania nad ciemną materią ewoluowały.
Ciemna materia jest trudna do zbadania, ponieważ nie emituje żadnego światła ani energii, które można łatwo wykryć. Naukowcy badają ciemną materię, obserwując jej wpływ na ruchy i struktury, takie jak galaktyki. Jest to jednak trochę jak badanie czyjegoś cienia bez możliwości szczegółowego zbadania rzeczywistej osoby, która rzuca cień.
W ramach pakietu badań zespół podjął krok w kierunku wdrożenia nowej fizyki – nie tylko standardowej fizyki cząstek elementarnych i teorii względności – i zaprogramował superkomputer do tworzenia bardzo szczegółowych symulacji kosmologicznych za pomocą COZMIC w celu przetestowania różnych pomysłów na temat tego, co może robić ciemna materia.
Chcemy zmierzyć masy i inne właściwości kwantowe tych cząstek, a także sposób, w jaki oddziałują one ze wszystkim innym – powiedziała Gluscevic. Dzięki COZMIC po raz pierwszy jesteśmy w stanie symulować galaktyki takie jak nasza w oparciu o radykalnie odmienne prawa fizyczne – i testować te prawa w porównaniu z rzeczywistymi obserwacjami astronomicznymi.
Kilka scenariuszy dotyczących ciemnej materii
Nasze symulacje pokazują, że obserwacje najmniejszych galaktyk mogą być wykorzystane do rozróżnienia modeli ciemnej materii – powiedział Nadler.
W badaniach COZMIC naukowcy uwzględnili następujące scenariusze zachowania ciemnej materii:
- Model kul bilardowych: W tym pierwszym badaniu każda cząstka ciemnej materii zderza się z protonami na wczesnym etapie Wszechświata, podobnie jak kule bilardowe, gdy są po raz pierwszy wprawiane w ruch. Interakcja ta wygładza struktury o małej skali i eliminuje galaktyki satelitarne Drogi Mlecznej. Badania te obejmują również scenariusze, w których ciemna materia porusza się z dużymi prędkościami, a także inne, w których składa się z cząstek o bardzo niskiej masie.
- Model mieszany: Drugie badanie to scenariusz hybrydowy, w którym niektóre cząstki ciemnej materii oddziałują z normalną materią, ale inne przez nią przechodzą.
- Model samooddziaływania: W trzecim modelu naukowcy przeprowadzili symulację scenariusza, w którym ciemna materia oddziałuje ze sobą zarówno u zarania dziejów, jak i obecnie, modyfikując formowanie się galaktyk w całej historii kosmosu.
Podczas przeprowadzania tych symulacji naukowcy wprowadzili nową fizykę do superkomputera, aby stworzyć galaktykę, której struktura nosi ślady tych interakcji między normalną a ciemną materią, powiedział Benson.
Gluscevic dodała: Podczas gdy wiele wcześniejszych zestawów symulacyjnych badało efekty masy ciemnej materii lub interakcji własnych, do tej pory żaden nie symulował interakcji ciemnej materii z normalną materią. Takie interakcje nie są egzotyczne ani nieprawdopodobne. W rzeczywistości prawdopodobnie istnieją.
Nowe dzień dla ciemnej materii
Zespół twierdzi, że jest to duży krok naprzód w ustaleniu, czym naprawdę jest ciemna materia. Mają nadzieję, że porównując swoje bliźniacze galaktyki z rzeczywistymi obrazami z teleskopów, będą mogli jeszcze bardziej zbliżyć się do rozwiązania jednej z największych tajemnic kosmosu.
W końcu jesteśmy w stanie zapytać: która wersja Wszechświata najbardziej przypomina naszą? – powiedziała Gluscevic.
Zespół COZMIC planuje rozszerzyć swoją pracę poprzez bezpośrednie testowanie przewidywań z symulacjami za pomocą danych teleskopowych, dzięki czemu mogą odkryć struktury zachowania ciemnej materii w prawdziwych galaktykach.
Ten kolejny etap może przybliżyć naukowców do zrozumienia, czym jest ciemna materia i jak kształtuje kosmos.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
