Είναι ζεστή, ψυχρή ή "ασαφής"; Νέες προσομοιώσεις μας δίνουν ενδιαφέρουσες πληροφορίες.
Μια προσομοίωση του πρώιμου σχηματισμού γαλαξιών κάτω από τρία σενάρια σκοτεινής ύλης. Σε ένα σύμπαν γεμάτο ψυχρή σκοτεινή ύλη, οι πρώτοι γαλαξίες θα σχηματίστηκαν πρώτα έχοντας πολύ λαμπερή γαλαξιακή άλως (άκρα αριστερά). Εάν η σκοτεινή ύλη είναι θερμή, οι γαλαξίες θα σχηματίστηκαν πρώτα σε μακριές νηματοειδείς ουρές (κέντρο). Η ασαφής (Fuzzy) σκοτεινή ύλη θα παρήγαγε παρόμοια νημάτια, αλλά τα νημάτια αυτά θα ήταν γραμμωτά (άκρα δεξιά), όπως οι χορδές μιας άρπας. Πιστοποίηση: Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά των ερευνητών.
Οι επιστήμονες προσομοιώνουν τον σχηματισμό των πρώιμων γαλαξιών σε ένα πανάλαφρο σύμπαν σκοτεινής ύλης ή "ασαφές", παρά ψυχρό ή ζεστό.
Η σκοτεινή ύλη ήταν πιθανώς το αρχικό συστατικό για την παρασκευή των πρώτων γαλαξιών του σύμπαντος. Λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα είχαν συσσωρευτεί μαζί σε βαρυτικά "άλως", έλκοντας το περιβάλλον αέριο στους πυρήνες τους, που με την πάροδο του χρόνου ψύχθηκαν και συμπυκνώθηκαν σχηματίζοντας τους πρώτους γαλαξίες.
Αν και η σκοτεινή ύλη θεωρείται η ραχοκοκαλιά της δομής του σύμπαντος, οι επιστήμονες γνωρίζουν πολύ λίγα για τη φύση της, καθώς τα σωματίδια έχουν...αποφύγει μέχρι στιγμής την ανίχνευση τους.
Πρόσφατα επιστήμονες στο MIT, στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ έχουν διαπιστώσει ότι το πρώιμο σύμπαν και οι πρώτοι γαλαξίες θα φαίνονταν πολύ διαφορετικοί ανάλογα με τη φύση της σκοτεινής ύλης. Για πρώτη φορά, η ομάδα έχει εξομοιώσει το πως θα έμοιαζε ο σχηματισμός των πρώιμων γαλαξιών, αν η σκοτεινή ύλη ήταν "ασαφής", παρά αν ήταν ψυχρή ή ζεστή.
Στο πιο ευρέως αποδεκτό σενάριο, η σκοτεινή ύλη είναι ψυχρή, αποτελούμενη από βραδέως κινούμενα σωματίδια που, εκτός από τα αποτελέσματα της βαρύτητας, δεν έχουν αλληλεπίδραση με τη συνηθισμένη ύλη. Η ζεστή σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι είναι λίγο ελαφρύτερη και αποτελεί την γρηγορότερη εκδοχή της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Και η ασαφής σκοτεινή ύλη, μια σχετικά νέα ιδέα, είναι κάτι τελείως διαφορετικό, και αποτελείται από τα υπερελαφρά σωματίδια, το καθένα περίπου 1 octillionth (10-27) τη μάζα ενός ηλεκτρονίου (ένα σωματίδιο ψυχρής σκοτεινής ύλης είναι πολύ βαρύτερο - περίπου 105 φορές πιο ογκώδες από ένα ηλεκτρόνιο).
Στις προσομοιώσεις τους, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι εάν η σκοτεινή ύλη είναι ψυχρή, τότε οι γαλαξίες στο πρώιμο σύμπαν θα είχαν σχηματιστεί σε σχεδόν σφαιρικά άλως. Αλλά αν η φύση της σκοτεινής ύλης είναι ασαφής ή θερμή, το πρώιμο σύμπαν θα φαινόταν πολύ διαφορετικό, με τους γαλαξίες να σχηματίζονται αρχικά σε εκτεταμένα νήματα με τη μορφή ουράς. Σε ένα ασαφές σύμπαν, τα νημάτια αυτά θα είχαν εμφανιστεί με ραβδώσεις, όπως οι αστραφτερές χορδές μιας άρπας.
Καθώς τα νέα τηλεσκόπια έχουν την ικανότητα να παρατηρούν περαιτέρω πίσω στο χρόνο του πρώιμου σύμπαντος, οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να συμπεράνουν, από το πρότυπο την δομή αν προτιμάτε, του σχηματισμού των γαλαξιών, αν η φύση της σκοτεινής ύλης, η οποία σήμερα αντιπροσωπεύει σχεδόν το 85% του σύμπαντος, είναι ασαφής σε αντίθεση με τη ψυχρή ή τη θερμή της εκδοχή.
"Οι πρώτοι γαλαξίες στο πρώιμο σύμπαν μπορούν να "φωτίσουν" το είδος της σκοτεινής ύλης που έχουμε σήμερα", δηλώνει ο Mark Vogelsberger, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής στο Ινστιτούτο Kavli του MIT για την Αστροφυσική και τη Διαστημική Έρευνα. "Είτε βλέπουμε αυτό το μοτίβο νήματος, και η ασαφής σκοτεινή ύλη είναι αληθοφανής, είτε όχι, και έτσι μπορούμε να αποκλείσουμε το μοντέλο αυτό. Τώρα πλέον διαθέτουμε ένα σχέδιο για το πώς να το κάνουμε αυτό. "
Ο Vogelsberger είναι συν-συγγραφέας ενός paper το οποίο δημοσιεύτηκε στις 4 του μήνα στο περιοδικό Physical Review Letters, μαζί με τον συγγραφέα του paper αυτού τον Philip Mocz του Πανεπιστημίου Princeton και την Anastasia Fialkov του Πανεπιστημίου του Cambridge και προηγούμενα στο Πανεπιστήμιο του Sussex.
Ασαφή κύματα
Ενώ η σκοτεινή ύλη δεν έχει ακόμη εντοπιστεί άμεσα, η υπόθεση που περιγράφει τη σκοτεινή ύλη ως ψυχρή έχει αποδειχθεί επιτυχής στην περιγραφή της μεγάλης κλίμακας δομής του παρατηρήσιμου σύμπαντος. Ως αποτέλεσμα, τα μοντέλα σχηματισμού γαλαξιών βασίζονται στην παραδοχή ότι η σκοτεινή ύλη είναι ψυχρή.
"Το πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν κάποιες αποκλίσεις μεταξύ των παρατηρήσεων και των προβλέψεων της ψυχρής σκοτεινής ύλης", επισημαίνει ο Vogelsberger. "Για παράδειγμα, εάν παρατηρήσετε πολύ μικρούς γαλαξίες, η συνήθης κατανομή της σκοτεινής ύλης μέσα σε αυτούς τους γαλαξίες δεν συμφωνεί απόλυτα με αυτά που προβλέπουν τα θεωρητικά μοντέλα. Έτσι υπάρχει κάποια ένταση εκεί. "
Εισάγονται λοιπόν εναλλακτικές θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη, συμπεριλαμβανομένων των θερμών και ασαφών, τις οποίες έχουν προτείνει οι ερευνητές τα τελευταία χρόνια.
"Η φύση της σκοτεινής ύλης παραμένει ακόμα ένα μυστήριο", λέει ο Fialkov. "Η ασαφής σκοτεινή ύλη υποκινείται από τη θεμελιώδη φυσική, για παράδειγμα, τη θεωρία χορδών, και επομένως είναι ένας ενδιαφέρον υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη. Οι κοσμικές δομές κατέχουν το κλειδί για την επικύρωση ή την εξαφάνιση τέτοιων μοντέλων σκοτεινής ύλης. "
Η ασαφής σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια που είναι τόσο ελαφριά ώστε να δρουν με κβαντικό, κυματοειδές τρόπο και όχι ως μεμονωμένα σωματίδια. Αυτή η κβαντική, ασαφής φύση, λέει ο Mocz, θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει πρώιμους γαλαξίες οι οποίοι φαίνονται τελείως διαφορετικοί από τα πρότυπα μοντέλα που προβλέπονται για την ψυχρή σκοτεινή ύλη.
"Αν και στο τέλος του σύμπαντος αυτά τα διαφορετικά σενάρια σκοτεινής ύλης μπορούν να προβλέψουν παρόμοια σχήματα για τους γαλαξίες, οι πρώτοι γαλαξίες θα είναι εντυπωσιακά διαφορετικοί, και θα μας δώσουν μια ιδέα για το τι είναι η σκοτεινή ύλη", δηλώνει ο Mocz.
Για να δούμε πόσο διαφορετικό είναι ένα ψυχρό και ένα ασαφές πρώιμο σύμπαν, οι ερευνητές προσομοίασαν ένα μικρό, κυβικό χώρο του πρώιμου σύμπαντος, που μετράει περίπου 3 εκατομμύρια έτη φωτός σε όλη του την έκταση, και το "έτρεξε" προς τα εμπρός στο χρόνο για να δουν πώς θα σχηματιστούν γαλαξίες δεδομένου ενός από τα τρία σενάρια σκοτεινής ύλης: ψυχρό, θερμό και ασαφές.
Η ομάδα ξεκίνησε κάθε προσομοίωση υποθέτοντας μια ορισμένη κατανομή της σκοτεινής ύλης, την οποία οι επιστήμονες έχουν κάποια ιδέα, με βάση τις μετρήσεις της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου - η ακτινοβολία λείψανο" ¨η οποία εκπέμπεται από τότε και ανιχνεύθηκε μόλις 400.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
"Η σκοτεινή ύλη δεν έχει σταθερή πυκνότητα ακόμη και σε αυτές τις πρώτες στιγμές", δηλώνει ο Vogelsberger. "Υπάρχουν μικροσκοπικές διαταραχές πάνω από ένα πεδίο σταθερής πυκνότητας".
Οι ερευνητές μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν υπάρχοντες αλγόριθμους για να προσομοιώσουν το σχηματισμό γαλαξιών κάτω από σενάρια ψυχρής και θερμής σκοτεινής ύλης. Αλλά για να προσομοιώσουν την ασαφή σκοτεινή ύλη, με την κβαντική της φύση, χρειαζόταν μια νέα προσέγγιση.
Ένας χάρτης από...χορδές άρπας
Οι ερευνητές τροποποίησαν την προσομοίωση της ψυχρής σκοτεινής ύλης, επιτρέποντάς της να λύσει δύο επιπλέον εξισώσεις για να προσομοιώσουν το σχηματισμό των γαλαξιών σε ένα ασαφές σύμπαν σκοτεινής ύλης. Η πρώτη, η εξίσωση Schrödinger, περιγράφει πώς ένα κβαντικό σωματίδιο δρα ως κύμα, ενώ η δεύτερη, η εξίσωση Poisson, περιγράφει πώς το κύμα αυτό δημιουργεί ένα πεδίο πυκνότητας ή κατανομή της σκοτεινής ύλης, και πώς η κατανομή αυτή οδηγεί σε βαρύτητα - η δύναμη η οποία έλκει και ωθεί την ύλη στο να σχηματισθούν γαλαξίες. Στη συνέχεια συσχέτισαν την προσομοίωση αυτή με ένα μοντέλο το οποίο περιγράφει τη συμπεριφορά του αερίου στο σύμπαν και τον τρόπο που αυτό συμπυκνώνεται στους γαλαξίες ως απάντηση στις βαρυτικές επιδράσεις.
Και στα τρία σενάρια, σχηματίστηκαν γαλαξίες όπου υπήρχαν υπερβολικές πυκνότητες ή μεγάλες συγκεντρώσεις βαρυτικής κατάρρευσης σκοτεινής ύλης. Το πρότυπο αυτής της σκοτεινής ύλης, ωστόσο, ήταν διαφορετικό, ανάλογα με το αν ήταν ψυχρό, θερμό ή ασαφές.
Σε ένα σενάριο ψυχρής σκοτεινής ύλης, σχηματίστηκαν γαλαξίες με σφαιρικά άλως, καθώς και μικρότεροι με μικρότερο άλως (subhalos galaxies). Η θερμή σκοτεινή ύλη παρήγαγε τους πρώτους γαλαξίες σε νημάτια με ουρά, και όχι γαλαξίες με μικρότερο άλως. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην ταχύτερη και ελαφριά φύση της θερμής σκοτεινή ύλης, καθιστώντας τα σωματίδια λιγότερο πιθανό να παραμείνουν σε μικρότερες, συστάδες σε γαλαξίες με μικρότερο άλως (subhalos galaxies).
Παρόμοια με τη θερμή σκοτεινή ύλη, η ασαφής σκοτεινή ύλη σχημάτισε αστέρια κατά μήκος των νηματίων. Αλλά τότε, τα φαινόμενα κβαντικού κύματος ανέλαβαν τη διαμόρφωση των γαλαξιών, που σχημάτιζαν πιο ραβδωτά νήματα, όπως οι χορδές σε μια αόρατη άρπα. Ο Vogelsberger λέει ότι αυτό το γραμμωτό πρότυπο οφείλεται σε παρεμβολές, ένα φαινόμενο που συμβαίνει όταν επικαλύπτονται δύο κύματα. Όταν συμβαίνει αυτό, για παράδειγμα σε κύματα φωτός, τα σημεία όπου οι κορυφές και οι κοιλότητες κάθε κύματος σχηματίζουν σκοτεινότερα σημεία, δημιουργώντας ένα εναλλασσόμενο μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών περιοχών.
Στην περίπτωση της ασαφούς σκοτεινής ύλης, αντί των φωτεινών και σκοτεινών σημείων, δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο πρότυπο υπερβολικής πυκνότητας και υποτονικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης.
"Θα έχετε πολλή βαρυτική έλξη σε αυτές τις υπερβολικές πυκνότητες, και το αέριο θα ακολουθήσει, και σε κάποιο σημείο θα σχηματιστούν γαλαξίες κατά μήκος αυτών των υπερβολικών πυκνοτήτων, και όχι σε χαμηλές πυκνότητες", εξηγεί ο Vogelsberger. "Αυτή η εικόνα θα αναπαραχθεί σε όλο το πρώιμο σύμπαν".
Η ομάδα αναπτύσσει πιο λεπτομερείς προβλέψεις για το πως μπορεί να έμοιαζαν οι πρώιμοι γαλαξίες σε ένα σύμπαν που κυριαρχείται από ασαφή σκοτεινή ύλη. Στόχος τους είναι να παράσχουν έναν χάρτη για τα επερχόμενα τηλεσκόπια, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο μπορεί να είναι σε θέση να δει αρκετά πίσω στο χρόνο, ώστε να εντοπίσει τους πρώτους γαλαξίες. Αν παρατηρηθούν οι νηματικοί γαλαξίες όπως αυτοί που προσομοιάζουν οι Mocz, Fialkov, Vogelsberger και οι συνάδελφοί τους, αυτοί θα μπορούσαν να είναι τα πρώτα σημάδια ότι η φύση της σκοτεινής ύλης είναι ασαφής.
"Είναι αυτή η παρατηρησιακή δοκιμή την οποία μπορούμε να παρέχουμε για τη φύση της σκοτεινής ύλης, με βάση τις παρατηρήσεις του πρώιμου σύμπαντος, το οποίο θα καταστεί εφικτό τα επόμενα δύο χρόνια", δηλώνει ο Vogelsberger.
Η έρευνα αυτή υποστηρίχθηκε, εν μέρει, από τη NASA.
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με αυτή τη μελέτη, διαβάστε: New ‘Fuzzy’ Dark Matter Simulations Disrupt Conventional Thinking About the Make-Up of the Universe.
Αναφορές: “First Star-Forming Structures in Fuzzy Cosmic Filaments” by Philip Mocz, Anastasia Fialkov, Mark Vogelsberger, Fernando Becerra, Mustafa A. Amin, Sownak Bose, Michael Boylan-Kolchin, Pierre-Henri Chavanis, Lars Hernquist, Lachlan Lancaster, Federico Marinacci, Victor H. Robles, and Jesús Zavala, 2 October 2019, Physical Review Letters.
Από την JENNIFER CHU, ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΜΑΣΑΧΟΥΣΕΤΗΣ
……………….*………………..
Ενημερωθείτε για θέματα Αστρονομίας και Επιστήμης στις ομάδες μας στο
Facebook:
Και στο blog: Αστρονομία και Επιστήμη
Πηγή
https://scitechdaily.com/is-dark-matter-warm-cold-or-fuzzy-new-simulations-provide-intriguing-insights/
https://scitechdaily.com/is-dark-matter-warm-cold-or-fuzzy-new-simulations-provide-intriguing-insights/
Πηγές υπάρχουν επίσης και στις παραπομπές του κειμένου (οι λέξεις με τα
μπλε ή κόκκινα γράμματα)
Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.
Για διορθώσεις
μετάφρασης ως προς το πρότυπο κείμενο, απορίες, ή συμπληρώματα, γράψτε
μας: gikasd63@hotmail.com η αφήστε μήνυμα inbox στη
Σελίδα:
Επίσης εάν θέλετε να δημοσιευτεί στο μπλόγκ μας κάποια δική σας εργασία,
άρθρο, ή Paper σχετικά με την επιστήμη, αποστείλατε τα άρθρα αυτά συνοδευόμενα
απαραίτητα από τη σχετική βιβλιογραφία, και την σχετική έντυπη
άδεια σας για δημοσίευση στο μπλόγκ μας, στη
διεύθυνση: gikasd63@hotmail.com . Η δημοσίευση είναι εντελώς
δωρεάν.
Εάν, κατά την άποψή σας, υπάρχουν επιστημονικά λάθη στο πρότυπο κείμενο η
ομάδα μας δεν μπορεί να παρέμβει και να το αλλάξει χωρίς την συναίνεση του
αρθρογράφου. Για οποιαδήποτε τέτοια αλλαγή επικοινωνήστε με την πηγή του
άρθρου.
Το κείμενο υπόκειται σε επικαιροποίηση αν υπάρξουν έγκυρες διορθώσεις
ή νέα στοιχεία που αφορούν το θέμα του άρθρου.