Gromady ciemnej materii mogą ujawnić naturę ciemnej energii

Hubble - 15 years of discovery (Lipiec 2019).

Anonim

Naukowcy mają nadzieję zrozumieć jedną z najtrwalszych zagadek w kosmologii, symulując jej wpływ na skupianie się galaktyk.

Tajemnica ta jest ciemną energią - zjawisko, które według hipotezy naukowców powoduje, że wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie. Nikt nie wie nic o ciemnej energii, z wyjątkiem tego, że może w jakiś sposób zdmuchnąć niemal wszystko.

Tymczasem ciemna energia ma równie podejrzanego kuzyna - ciemną materię. Wydaje się, że ta niewidzialna substancja gromadzi się wokół galaktyk i nie pozwala im się rozproszyć, przez udzielanie im dodatkowego przyciągania grawitacyjnego.

Taki efekt grupowania konkuruje z przyspieszaniem ekspansji ciemnej energii. Jednak dokładne poznanie tej konkurencji może rzucić nieco światła na ciemną energię.

"Wiele modeli ciemnej energii jest już wykluczonych z aktualnymi danymi" - powiedział dr Alexander Mead, kosmolog z University of British Columbia w Vancouver, Kanada, który pracuje nad projektem o nazwie modelowanie Halo. "Mam nadzieję, że w przyszłości będziemy mogli lepiej rządzić".

Obiektywy grawitacyjne

Obecnie jedynym sposobem, w jaki można zaobserwować ciemną materię, jest poszukiwanie skutków jej przyciągania grawitacyjnego na inną materię i światło. Wytwarzane przez nie intensywne pole grawitacyjne może powodować zniekształcenie i zginanie światła na dużych odległościach - efekt znany jako soczewkowanie grawitacyjne.

Poprzez mapowanie ciemnej materii w odległych częściach kosmosu, naukowcy mogą ustalić, jak wiele ciemnej materii skupia się w niej - iw zasadzie na to, że na klastry wpływa ciemna energia.

Związek między soczewkowaniem grawitacyjnym a grupowaniem ciemnej materii nie jest jednak prosty. Aby zinterpretować dane z teleskopów, naukowcy muszą odnieść się do szczegółowych modeli kosmologicznych - matematycznych reprezentacji złożonych systemów.

Dr Mead opracowuje model skupienia, który, jak ma nadzieję, będzie miał wystarczającą dokładność, aby rozróżnić różne hipotezy ciemnej energii.

"Analogią, którą bardzo lubię, jest turbulencja, w turbulentnym przepływie płynów można mówić o prądach i wirach, które są miłymi słowami, ale rzeczywistość tego, jak płyn w rurze przechodzi od spokojnego płynięcia do płynącego w burzliwy sposób, jest niezwykle skomplikowana. "

Piąta siła

Jedną z bardziej egzotycznych teorii jest to, że ciemna energia jest wynikiem dotychczas niewykrytej piątej siły, oprócz czterech znanych sił natury - grawitacji, elektromagnetyzmu oraz silnych i słabych sił jądrowych wewnątrz atomów.

Bardziej powszechna hipoteza dotycząca ciemnej energii jest znana jako stała kosmologiczna, którą Albert Einstein przedstawił w ramach swojej ogólnej teorii względności. Często uważa się, że opisuje ono wszechprzenikające się morze wirtualnych cząstek, które nieustannie pojawiają się i znikają w całym wszechświecie.

Jednym ze sposobów wykluczenia hipotezy stałej kosmologicznej jest oczywiście wykazanie, że ciemna energia nie jest w ogóle stała. Taki jest cel dr Pier Stefano Corasaniti z Obserwatorium Paryskiego we Francji, który - w projekcie zwanym EDECS - zbliża się do ciemnej materii skupiającej się w innym kierunku.

Zamiast próbować modelowania skupień z danych soczewkowania grawitacyjnego, zaczyna on od konkretnej dynamicznej - to znaczy nie stałej - hipotezy o ciemnej energii i próbując przewidzieć, jak ciemna materia będzie się skupiała, jeśli tak się stanie.

Przesuwanie granic

Zasadniczo istnieją nieskończone sposoby, w jakie ciemna energia może zmieniać się w przestrzeni i czasie, chociaż wiele teorii zostało już wykluczonych przez istniejące obserwacje. Dr Corasaniti koncentruje się na swoich symulacjach na rodzajach dynamicznej ciemnej energii, które napierają na krawędzie tych obserwacyjnych granic, torując drogę do testów z przyszłymi eksperymentami.

Symulacje, które śledzą ewolucję licznych "N-ciałowych" cząstek ciemnej materii, wymagają superkomputerów działających przez długie okresy czasu, przetwarzając kilka petabajtów (tysiąc milionów bajtów) danych.

"Biegliśmy wśród największych kosmologicznych symulacji N-ciała, jakie kiedykolwiek udało się zrealizować, " powiedział dr Corasaniti.

Symulacje doktora Corasaniti przewidują, że sposób, w jaki ciemna energia ewoluuje w czasie, powinien wpływać na tworzenie się ciemnej materii. To z kolei zmienia efektywność, z jaką galaktyki tworzą się w sposób, który nie byłby możliwy w przypadku stałej ciemnej energii.

Prognozy, które wypróbowują jego modele, można przetestować przy pomocy nadchodzących teleskopów, takich jak Large Synoptic Survey Telescope w Chile i Square Kilometre Array w Australii i Południowej Afryce, a także przez misje satelitarne, takie jak Euclid (współpraca z UE na rzecz Wykrywania LIghtning) i WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope).

"Jeśli ciemna energia okaże się zjawiskiem dynamicznym, będzie to miało głęboki wpływ nie tylko na kosmologię, ale na nasze zrozumienie fundamentalnej fizyki" - powiedział dr Corasaniti.

menu
menu