Afbeelding tegoed: Berkeley
Donkere materie is een onzichtbare materiaalkring die elk melkwegstelsel lijkt te omringen. Tot nu toe geloofden astronomen dat donkere materie waarschijnlijk een gelijkmatige mist van deeltjes in de ruimte vormde, maar onderzoekers van UC Berkeley en MIT hebben een computersimulatie gemaakt van hoe donkere materie samen zou kunnen klonteren tot grotere brokken materiaal.
De 'donkere materie' die een nog onopgemerkt kwart van het heelal omvat, is geen uniforme kosmische mist, zegt een astrofysicus van de University of California, Berkeley, maar vormt in plaats daarvan dichte klonten die bewegen als stofdeeltjes die dansen in een schacht van licht.
In een paper dat deze week is ingediend bij Physical Review D, bewijzen Chung-Pei Ma, universitair hoofddocent astronomie aan UC Berkeley, en Edmund Bertschinger van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), dat de beweging van donkere materie klonten kan worden gemodelleerd in een manier die lijkt op de Brownse beweging van stof of pollen in de lucht.
Hun bevindingen zouden astrofysici een nieuwe manier moeten bieden om de evolutie van dit spookuniversum van donkere materie te berekenen en te verzoenen met het waarneembare universum, zei Ma.
Donkere materie is al meer dan 30 jaar een knagend probleem voor de astronomie. Sterren binnen sterrenstelsels en sterrenstelsels binnen clusters bewegen op een manier die aangeeft dat er meer materie is dan we kunnen zien. Deze onzichtbare materie lijkt zich in een sferische halo te bevinden die zich waarschijnlijk 10 keer verder uitstrekt dan de zichtbare stellaire halo rond sterrenstelsels. Vroege voorstellen dat de onzichtbare materie bestaat uit uitgebrande sterren of zware neutrino's zijn niet uitgepuurd, en de huidige favoriete kandidaten zijn exotische deeltjes die afwisselend neutrilino's, axions of andere hypothetische supersymmetrische deeltjes worden genoemd. Omdat deze exotische deeltjes alleen via de zwaartekracht in wisselwerking staan met gewone materie, niet via elektromagnetische golven, zenden ze geen licht uit.
"We zien maar de helft van alle deeltjes", zei Ma. "Ze zijn te zwaar om nu in versnellers te produceren, dus de helft van de wereld weten we niet."
Het beeld werd pas vier jaar geleden slechter toen 'donkere energie' zelfs vaker voorkwam dan donkere materie. Het kosmische verslag koppelt nu donkere energie aan ongeveer 69 procent van het universum, exotische donkere materie aan 27 procent, alledaagse donkere materie - vage, ongeziene sterren - aan 3 procent, en wat we eigenlijk zien aan slechts 1 procent.
Op basis van computermodellen van hoe donkere materie onder de zwaartekracht zou bewegen, zei Ma dat donkere materie geen uniforme mist is die clusters van sterrenstelsels omhult. In plaats daarvan vormt donkere materie kleinere klonten die oppervlakkig lijken op de sterrenstelsels en bolvormige sterrenhopen die we in ons lichtgevende universum zien. De donkere materie heeft een dynamisch leven dat onafhankelijk is van lichtgevende materie, zei ze.
"De kosmische achtergrond van de microgolf laat de vroege effecten zien van klontering van donkere materie, en deze klonten groeien onder aantrekkingskracht door zwaartekracht," zei ze. 'Maar elk van deze klonten, de halo rond clusters van sterrenstelsels, was glad. Mensen waren geïntrigeerd om te ontdekken dat simulaties met hoge resolutie laten zien dat ze niet soepel zijn, maar in plaats daarvan ingewikkelde substructuren hebben. De donkere wereld heeft een eigen dynamisch leven. '
Ma, Bertschinger en UC Berkeley-student Michael Boylan-Kolchin voerden enkele van deze simulaties zelf uit. Verschillende andere groepen van de afgelopen twee jaar hebben ook vergelijkbare klonters laten zien.
Het spookuniversum van donkere materie is een sjabloon voor het zichtbare universum, zei ze. Donkere materie is 25 keer overvloediger dan alleen zichtbare materie, dus zichtbare materie zou zich moeten clusteren waar donkere materie clustert.
Daarin schuilt het probleem, zei ma. Computersimulaties van de evolutie van donkere materie voorspellen veel meer klonten donkere materie in een regio dan er klonten lichtgevende materie zijn die we kunnen zien. Als lichtgevende materie donkere materie volgt, zouden er van elk bijna gelijke aantallen moeten zijn.
'Ons sterrenstelsel, de Melkweg, heeft ongeveer een dozijn satellieten, maar in simulaties zien we duizenden satellieten van donkere materie', zei ze. "Donkere materie in de Melkweg is een dynamische, levendige omgeving waarin duizenden kleinere satellieten van donkere materie-klontjes rond een grote ouder-halo voor donkere materie zwermen, voortdurend in wisselwerking staan en elkaar storen."
Bovendien waren astrofysici die de beweging van donkere materie modelleren, verbaasd om te zien dat elke klomp een dichtheid had die in het midden piekte en op exact dezelfde manier naar de randen viel, ongeacht de grootte. Dit universele dichtheidsprofiel lijkt echter in strijd te zijn met waarnemingen van sommige dwergstelsels gemaakt door Ma's collega, UC Berkeley professor in astronomie Leo Blitz, en zijn onderzoeksgroep.
Ma hoopt dat een nieuwe manier van kijken naar de beweging van donkere materie deze problemen en de kwadratische theorie met observatie zal oplossen. In haar Physical Review-artikel, dat eerder dit jaar op een bijeenkomst van de American Physical Society werd besproken, bewees ze dat de beweging van donkere materie vergelijkbaar kan zijn met de Brownse beweging die botanicus Robert Brown in 1828 beschreef en Albert Einstein in een baanbrekende 1905 uitlegde. papier dat hem hielp hem de Nobelprijs voor natuurkunde van 1921 op te leveren.
Brownse beweging werd voor het eerst beschreven als het zigzagpad dat werd afgelegd door een in water zwevende stuifmeelkorrel, rondgeduwd door watermoleculen die ermee botsten. Het fenomeen verwijst evenzeer naar de beweging van stof in de lucht en dichte bosjes donkere materie in het donkere materie-universum, zei Ma.
Dit inzicht 'laten we een andere taal gebruiken, een ander gezichtspunt dan het standaardaanzicht', om de beweging en evolutie van donkere materie te onderzoeken, zei ze.
Andere astronomen, zoals UC Berkeley emeritus hoogleraar astronomie Ivan King, hebben de theorie van de Brownse beweging gebruikt om de beweging van honderdduizenden sterren in sterrenhopen te modelleren, maar dit, zei Ma, 'is de eerste keer dat het wordt toegepast rigoureus tot grote kosmologische schalen. Het idee is dat het ons niet precies kan schelen waar de klonten zijn, maar hoe klonten zich statistisch gedragen in het systeem, hoe ze zwaartekracht verspreiden. "
Ma merkte op dat de Brownse beweging van klonten wordt beheerst door een vergelijking, de Fokker-Planck-vergelijking, die wordt gebruikt om veel stochastische of willekeurige processen, waaronder de aandelenmarkt, te modelleren. Ma en medewerkers werken momenteel aan het oplossen van deze vergelijking voor kosmologische donkere materie.
"Het is verrassend en verrukkelijk dat de evolutie van donkere materie, de evolutie van klonten, een simpele, 90 jaar oude vergelijking volgt", zei ze.
Het werk werd ondersteund door de National Aeronautics and Space Administration.
Oorspronkelijke bron: UC Berkeley
