De krachtigste supercomputer van NASA heeft onderzoekers geholpen de halo van donkere materie rond de Melkweg te simuleren. Deze nieuwe computersimulatie laat zien hoe de donkere materie samenklontert tot 'subhalo's' binnen de grotere halo rond de Melkweg. Dit is een beetje een puzzel, aangezien de donkere materie niet overeenkomt met het samenklonteren van de satellietstelsels die ons omringen.
Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, hebben de krachtigste supercomputer van NASA gebruikt om tot nu toe de grootste simulatie uit te voeren van de vorming en evolutie van de donkere-stofhalo die het Melkwegstelsel omhult. Hun resultaten tonen substructuren binnen de halo in ongekende details, en vormen een waardevol hulpmiddel om de evolutionaire geschiedenis van ons sterrenstelsel te begrijpen.
Elk sterrenstelsel is omgeven door een halo van mysterieuze donkere materie die alleen indirect kan worden gedetecteerd door de zwaartekrachtseffecten te observeren. De onzichtbare halo is veel groter en sferischer dan het lichtgevende sterrenstelsel in het midden. Recente computersimulaties hebben aangetoond dat de halo verrassend klonterig is, met relatief dichte concentraties donkere materie in gravitatie-gebonden ‘subhalo's’ binnen de halo. De nieuwe studie, die is geaccepteerd voor publicatie in het Astrophysical Journal, vertoont een veel uitgebreider onderbouw dan enige eerdere studie.
"We vinden bijna 10.000 subhalo's, ongeveer een orde van grootte meer dan in eerdere simulaties, en sommige van onze subhalo's vertonen 'onderbouw'. Dit werd theoretisch verwacht, maar we hebben het voor het eerst getoond in een numerieke simulatie," zei Piero Madau, hoogleraar astronomie en astrofysica aan UCSC en co-auteur van het papier.
Jürg Diemand, een postdoctorale Hubble-fellow bij UCSC en de eerste auteur van de paper, zei dat de nieuwe resultaten het zogenaamde "ontbrekende satellietprobleem" verergeren. Het probleem is dat de klonterigheid van de normale materie in en rond ons sterrenstelsel - in de vorm van dwerg-satellietstelsels - niet overeenkomt met de klonterigheid van de donkere materie die we in de simulatie zien.
“Astronomen ontdekken steeds weer nieuwe dwergstelsels, maar er zijn er nog maar een stuk of 15, vergeleken met ongeveer 120 subhalo's van donkere materie van vergelijkbare grootte in onze simulatie. Dus waar bevinden zich de dwergstelsels, en waarom? ' Zei Diemand.
Theoretische modellen waarin stervorming beperkt is tot bepaalde soorten halo's voor donkere materie - voldoende massieve of vroegvormende - kunnen de discrepantie helpen oplossen, zei Madau.
Hoewel de aard van donkere materie een mysterie blijft, lijkt deze ongeveer 82 procent van de materie in het universum te vertegenwoordigen. Dientengevolge wordt de evolutie van de structuur in het universum aangedreven door de zwaartekrachtsinteracties van donkere materie. De "normale" materie die gas en sterren vormt, is gevallen in de "zwaartekrachtputten" die zijn gecreëerd door klonten donkere materie, waardoor sterrenstelsels ontstaan in de centra van halo's van donkere materie.
Aanvankelijk werkte de zwaartekracht in op kleine fluctuaties in de dichtheid die kort na de oerknal aanwezig waren om de eerste bosjes donkere materie samen te brengen. Deze groeiden uit tot grotere en grotere bosjes door de hiërarchische samenvoeging van kleinere voorlopers. Dit is het proces dat de UCSC-onderzoekers simuleerden op de Columbia-supercomputer in het NASA Ames Research Center, een van de snelste computers ter wereld. De simulatie nam een paar maanden in beslag en draaide op 300 tot 400 processors tegelijk voor 320.000 'cpu-uren', zei Diemand.
Coauteur Michael Kuhlen, die aan het project begon als een afgestudeerde student aan UCSC en nu aan het Institute for Advanced Study in Princeton werkt, zei dat de onderzoekers de beginvoorwaarden hebben vastgesteld op basis van de meest recente resultaten van de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) experiment. Uitgebracht in maart, de nieuwe WMAP-resultaten geven het meest gedetailleerde beeld ooit van het jonge universum.
De simulatie begint ongeveer 50 miljoen jaar na de oerknal en berekent de interacties van 234 miljoen deeltjes donkere materie gedurende 13,7 miljard jaar kosmologische tijd om een halo te produceren op dezelfde schaal als die van de Melkweg. De klonten binnen de halo zijn de overblijfselen van fusies waarin de kernen van kleinere halo's overleefden als gravitatie gebonden subhalo's die in een baan rond het grotere gastheersysteem cirkelden.
De simulatie produceerde vijf enorme subhalo's (elk meer dan 30 miljoen keer de massa van de zon) en veel kleinere binnen de 10 procent van de gastheerhalo. Toch is slechts één bekend dwergstelsel (Boogschutter) zo dicht bij het centrum van de Melkweg, zei Diemand.
'Er zijn grote hoeveelheden donkere materie in dezelfde regio waar de schijf van de Melkweg zou zijn. Dus zelfs in de lokale omgeving van ons zonnestelsel kan de verspreiding van donkere materie ingewikkelder zijn dan we hadden aangenomen, 'zei hij.
Astronomen kunnen met toekomstige gammastraaltelescopen wellicht klonten van donkere materie in de halo van de Melkweg detecteren, maar alleen als de donkere materie bestaat uit de soorten deeltjes die gammastraling zouden kunnen veroorzaken. Bepaalde kandidaten voor donkere materie - zoals de neutralino, een theoretisch deeltje voorspeld door de supersymmetrietheorie - zouden bij botsingen kunnen vernietigen (dat wil zeggen onderling worden vernietigd), waardoor nieuwe deeltjes worden gegenereerd en gammastraling wordt uitgezonden.
"Bestaande gammastraaltelescopen hebben geen vernietiging van donkere materie gedetecteerd, maar aanstaande experimenten zullen gevoeliger zijn, dus er is enige hoop dat individuele subhalo's een waarneembare handtekening kunnen produceren", zei Kuhlen.
Astronomen kijken met name uit naar interessante resultaten van de Gamma Ray Large Area Space Telescope (GLAST), die gepland staat voor lancering in 2007, zei hij.
De simulatie biedt ook een handig hulpmiddel voor observationele astronomen die de oudste sterren in ons sterrenstelsel bestuderen door een link te leggen tussen huidige waarnemingen en eerdere fasen van de vorming van sterrenstelsels, zei Diemand.
“De eerste kleine sterrenstelsels ontstonden al heel vroeg, ongeveer 500 miljoen jaar na de oerknal, en er zijn nog steeds sterren in ons sterrenstelsel die zich in deze vroege tijd hebben gevormd, als een fossiel record van vroege stervorming. Onze simulatie kan de context bieden waar die oude sterren vandaan kwamen en hoe ze vandaag in dwergstelsels en in bepaalde banen in de stellaire halo terechtkwamen, 'zei Diemand.
Oorspronkelijke bron: UC Santa Cruz News Release
