Най-мощният суперкомпютър на НАСА помогна на изследователите да симулират ореола на тъмна материя, която заобикаля Млечния път. Тази нова компютърна симулация показва как тъмната материя се преплита в „субхалоси“ в по-големия ореол, обграждащ Млечния път. Това е малко пъзел, тъй като тъмната материя не съответства на струпването на спътниковите галактики, които ни заобикалят.
Изследователи от Калифорнийския университет в Санта Крус използваха най-мощния суперкомпютър на НАСА, за да пуснат най-голямата симулация до момента на формирането и еволюцията на ореола на тъмната материя, който обгръща галактиката Млечен път. Резултатите от тях показват подструктури в ореола с безпрецедентни детайли, предоставящи ценен инструмент за разбиране на еволюционната история на нашата галактика.
Всяка галактика е заобиколена от ореол от мистериозна тъмна материя, който може да бъде открит само косвено, като се наблюдават нейните гравитационни ефекти. Невидимият ореол е много по-голям и сферичен от светещата галактика в центъра му. Скорошни компютърни симулации показаха, че ореолът е изненадващо тромав, със сравнително плътни концентрации на тъмна материя в гравитационно обвързани „субхалоси“ в ореола. Новото проучване, което е прието за публикуване в Astrophysical Journal, показва много по-обширна подструктура от всяко предишно проучване.
„Намираме почти 10 000 субхалоса, с около един порядък повече, отколкото при всички минали симулации, а някои от нашите подгалози проявяват„ подструктура “. Това се очакваше теоретично, но ние го показахме за първи път в числова симулация“, каза Пиеро Мадау, професор по астрономия и астрофизика в UCSC и съавтор на статията.
Jürg Diemand, докторантура на Хъбъл в UCSC и първи автор на статията, заяви, че новите резултати изострят това, което е известно като „липсващ спътников проблем“. Проблемът е, че тромавостта на нормалната материя във и около нашата галактика - под формата на джуджета сателитни галактики - не съвпада с тромавостта на тъмната материя, наблюдавана при симулацията.
„Астрономите продължават да откриват нови галактики джуджета, но все още има само около 15 или повече, в сравнение с около 120 субхалоса от тъмна материя със сравними размери в нашата симулация. И така, кои са домакините на галактиките джуджета и защо? “ - каза Diemand.
Теоретичните модели, при които образуването на звезди е ограничено до някои видове ореоли от тъмна материя - достатъчно масивни или ранно образуващи се, могат да помогнат за разрешаване на несъответствието, каза Мадау.
Въпреки че природата на тъмната материя остава загадка, изглежда, че тя представлява около 82 процента от материята във Вселената. В резултат на това еволюцията на структурата във Вселената се ръководи от гравитационните взаимодействия на тъмната материя. „Нормалната“ материя, която образува газ и звезди, е попаднала в „гравитационните кладенци“, създадени от бучки тъмна материя, пораждайки галактики в центровете на ореолите на тъмната материя.
Първоначално гравитацията действала при леки колебания на плътността, налични малко след Големия взрив, за да се съберат първите бучки тъмна материя. Те прерастваха в по-големи и по-големи буци чрез йерархичното сливане на по-малки потомци. Това е процесът, който изследователите на UCSC симулираха в суперкомпютъра на Колумбия в изследователския център на НАСА Еймс, един от най-бързите компютри в света. Симулацията отне няколко месеца, като работи на 300 до 400 процесора наведнъж за 320 000 „cpu-часа“, каза Diemand.
Коаутор Майкъл Кулен, който започна да работи по проекта като аспирант в UCSC и сега е в Института за усъвършенствано обучение в Принстън, заяви, че изследователите поставят първоначалните условия въз основа на най-новите резултати от анизотропната сонда на Уилкинсън Микровълнова (WMAP) експериментирате. Публикувани през март, новите резултати на WMAP предоставят най-подробната картина на детската вселена.
Симулацията започва на около 50 милиона години след Големия взрив и изчислява взаимодействията на 234 милиона частици тъмна материя за 13,7 милиарда години космологично време, за да се получи ореол в същия мащаб като Млечния път. Струпванията в ореола са останки от сливания, при които сърцевините на по-малките ореоли оцеляват като гравитационно свързани субхалоси, орбитиращи в рамките на по-голямата приемна система.
Симулацията произведе пет масивни субхалоса (всеки над 30 милиона пъти повече от масата на Слънцето) и много по-малки в рамките на вътрешните 10 процента от ореола на гостоприемника. И все пак само една известна галактика джудже (Стрелец) е толкова близо до центъра на Млечния път, каза Diemand.
„Има големи бучки тъмна материя в същия регион, където би бил дискът на Млечния път. Така че дори в местния квартал на нашата Слънчева система, разпределението на тъмната материя може да е по-сложно, отколкото предполагахме “, каза той.
Астрономите може да могат да открият бучки тъмна материя в ореола на Млечния път с бъдещи телескопи с гама-лъчи, но само ако тъмната материя се състои от видовете частици, които биха довели до емисии на гама-лъчи. Някои кандидати за тъмна материя - като неутралино, теоретична частица, предсказана от теорията на свръхсиметрията - могат да унищожат (тоест да бъдат унищожени взаимно) при сблъсъци, генерирайки нови частици и излъчвайки гама лъчи.
„Съществуващите телескопи с гама-лъчи не са открили унищожаване на тъмната материя, но предстоящите експерименти ще бъдат по-чувствителни, така че има някаква надежда, че отделните субхалоси могат да дадат видим подпис“, каза Кулен.
По-специално, астрономите очакват интересни резултати от космическия космически телескоп GLAST Ray, планиран за изстрелване през 2007 г., каза той.
Симулацията предоставя също полезен инструмент за наблюдателни астрономи, изучаващи най-старите звезди в нашата галактика, като осигурява връзка между текущите наблюдения и по-ранните фази на формирането на галактики, каза Diemand.
„Първите малки галактики са се образували много рано, около 500 милиона години след Големия взрив, а в нашата галактика все още има звезди, които са се образували в това ранно време, като фосилен запис на ранно образуване на звезди. Нашата симулация може да осигури контекста откъде идват онези стари звезди и как са се озовали в галактики джуджета и в определени орбити в звездния ореол днес “, каза Diemand.
Оригинален източник: UC Santa Cruz News Release
