Zespół badawczy prowadzony przez USC stworzył serię symowanych przez superkomputerów bliźniaków naszej Galaktyki Drogi Mlecznej-które mogłyby pomóc naukowcom odblokować nowe odpowiedzi na temat jednej z największych tajemnic we wszechświecie: ciemna materia, niewidzialna substancja, która stanowi około 85% istnienia.
Badaniami prowadził kosmologa Vera Gluscevic, która jest profesorem nadzwyczajnym w USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences; a także Ethan Nadler, wcześniej postdoc w USC i Carnegie Observatories, która jest obecnie adiunktem na University of California w San Diego; oraz Andrew Benson, naukowiec z Carnegie Observatories.
Nazwali swój projekt symulacyjny „cozmic”-skrótem do „kosmologicznych symulacji powiększania z początkowymi warunkami wykraczającymi poza zimną ciemną materię”.
Naukowcy od dziesięcioleci wiedzą, że istnieje ciemna materia – ale do tej pory nie mogli zbadać, w jaki sposób galaktyki rodzą się i ewoluują we wszechświecie, w którym oddziałują ciemna i normalna materia. Zespół powiedział, że Cozmic to umożliwiło.
Rozwój wyników Cozmic i zespołu opisano w trio badań opublikowanych 16 czerwca w The Astrophysical Journal, publikacji American Astronomical Society.
Serce ciemnej materii
Naukowcy wiedzą, że ciemna materia jest prawdziwa, ponieważ wpływa na to, jak galaktyki poruszają się i trzymają się razem. Na przykład galaktyki obracają się tak szybko, że powinny latać, ale nie. Coś niewidocznego trzyma je razem; Wielu naukowców uważa, że mroczna materia jest tego samym sednem – pomysł zasugerowany po raz pierwszy w 1933 r. Przez szwajcarskiego badacza Fritza Zwicky. 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, jak wpływa na ruchy i struktury, takie jak galaktyki. Jest to jednak nieco jak studiowanie czyjegoś cienia bez możliwości szczegółowego zbadania rzeczywistej osoby, która rzuciła cień.
W pakiecie badań zespół badawczy podjął krok wdrażania nowej fizyki – nie tylko standardowej fizyki cząstek i względności – i zaprogramował superkomputera do tworzenia bardzo szczegółowych symulacji kosmologicznych przez Cozmic, aby przetestować różne pomysły na temat tego, co może zrobić ciemna sprawa.
„Chcemy zmierzyć masy i inne właściwości kwantowe tych cząstek i chcemy zmierzyć, jak oddziałują one ze wszystkim innym” – powiedział Gluscevic. „Po raz pierwszy po raz pierwszy jesteśmy w stanie symulować galaktyki, takie jak nasze własne zgodnie z radykalnie różne prawa fizyczne – i przetestować te prawa przeciwko prawdziwym obserwacjom astronomicznym”.
Oprócz Glusevic, Nadler i Benson zespół stojący za Cozmic obejmuje Hai-bo Yu z UC Riverside; Daneng Yang, wcześniej UC Riverside, a teraz w Purple Mountain Observatory CAS; Xiaolong du of UCLA; i Rui An, wcześniej USC.
Kilka scenariuszy Mrocznych Materii
„Nasze symulacje ujawniają, że obserwacje najmniejszych galaktyk można wykorzystać do rozróżnienia modeli ciemnej materii” – powiedział Nadler.
W badaniach z Cozmic naukowcy uwzględnili następujące scenariusze zachowania ciemnej materii:
Model Billiard-Ball: W tym pierwszym badaniu każda cząstka ciemnej materii zderza się z protonami na początku wszechświata, podobnie jak piłki bilardowe, gdy są one po raz pierwszy uruchomione. Ta interakcja wygładza małe struktury i eliminuje galaktyki satelitarne w drogę mleczną. Badanie obejmuje również scenariusze, w których ciemna materia porusza się z dużą prędkością, oraz inne, w których składa się z bardzo masy masy. Model sektora mieszanego: To drugie badanie jest scenariuszem hybrydowym, w którym niektóre cząsteczki ciemnej materii oddziałują z normalną materią, ale inne przechodzą. Model samokontroli: W tym trzecim badaniu naukowcy symulowały scenariusz, w którym ciemna materia oddziałuje ze sobą zarówno w czasie czasu, jak i dziś, modyfikując formowanie galaktyki w historii kosmicznej.
Podczas uruchamiania tych symulacji naukowcy wprowadzają nową fizykę do superkomputera, aby wytworzyć galaktykę, której struktura nosi sygnatury tych interakcji między materią normalną i ciemną, powiedział Benson.
Gluscevic dodał: „Podczas gdy wiele poprzednich apartamentów symulacyjnych badało skutki masy ciemnej materii lub samokontroli, do tej pory żadne z nich nie symulowało interakcji ciemnej materii z normalną materią. Takie interakcje nie są egzotyczne ani nieprawdopodobne. W rzeczywistości są one istotne”.
Nowy dzień na ciemną materię
Zespół twierdzi, że jest to duży krok naprzód w ustaleniu, jaka jest naprawdę mroczna materia. Mają nadzieję, że porównując swoje bliźniacze galaktyki z prawdziwymi obrazami teleskopowymi, mogą się jeszcze zbliżyć do rozwiązania jednej z największych tajemnic kosmicznych.
„W końcu jesteśmy w stanie zapytać:„ Która wersja wszechświata wygląda najbardziej jak nasz? ” – powiedział Gluscevic.
Zespół Cozmic planuje rozszerzyć swoją pracę, bezpośrednio testując prognozy z ich symulacji za pomocą danych teleskopowych, aby mogli odkryć podpisy zachowania ciemnej materii w prawdziwych galaktykach.
Ten następny etap może zbliżyć naukowców do zrozumienia, czym jest mroczna materia i jak kształtuje kosmos.