Der leistungsstärkste Supercomputer der NASA hat Forschern dabei geholfen, den Lichthof der dunklen Materie zu simulieren, der die Milchstraße umgibt. Diese neue Computersimulation zeigt, wie die dunkle Materie innerhalb des größeren Halos, der die Milchstraße umgibt, zu „Subhalos“ zusammenklumpt. Dies ist ein kleines Rätsel, da die dunkle Materie nicht mit der Verklumpung der uns umgebenden Satellitengalaxien übereinstimmt.
Forscher der University of California in Santa Cruz haben mit dem leistungsstärksten Supercomputer der NASA die bislang größte Simulation der Entstehung und Entwicklung des Halos der dunklen Materie durchgeführt, der die Milchstraße umgibt. Ihre Ergebnisse zeigen Substrukturen innerhalb des Halos in beispiellosen Details und bieten ein wertvolles Werkzeug zum Verständnis der Evolutionsgeschichte unserer Galaxie.
Jede Galaxie ist von einem Lichthof mysteriöser dunkler Materie umgeben, der nur indirekt durch Beobachtung ihrer Gravitationseffekte entdeckt werden kann. Der unsichtbare Lichthof ist viel größer und kugelförmiger als die leuchtende Galaxie in ihrem Zentrum. Jüngste Computersimulationen haben gezeigt, dass der Lichthof überraschend klumpig ist und relativ dichte Konzentrationen dunkler Materie in gravitationsgebundenen „Subhalos“ innerhalb des Lichthofs aufweist. Die neue Studie, die zur Veröffentlichung im Astrophysical Journal angenommen wurde, zeigt eine viel umfangreichere Substruktur als jede frühere Studie.
"Wir finden fast 10.000 Subhalos, etwa eine Größenordnung mehr als in früheren Simulationen, und einige unserer Subhalos weisen eine" Unterstruktur "auf. Dies wurde theoretisch erwartet, aber wir haben es zum ersten Mal in einer numerischen Simulation gezeigt", sagte er Piero Madau, Professor für Astronomie und Astrophysik an der UCSC und Mitautor der Arbeit.
Jürg Diemand, Postdoktorand bei Hubble an der UCSC und Erstautor des Papiers, sagte, die neuen Ergebnisse verschärfen das sogenannte „Problem der fehlenden Satelliten“. Das Problem ist, dass die Klumpenbildung der normalen Materie in und um unsere Galaxie - in Form von Zwergsatellitengalaxien - nicht mit der Klumpenbildung der dunklen Materie in der Simulation übereinstimmt.
„Astronomen entdecken immer wieder neue Zwerggalaxien, aber es gibt immer noch nur etwa 15, verglichen mit etwa 120 Subhalos der dunklen Materie vergleichbarer Größe in unserer Simulation. Welche beherbergen die Zwerggalaxien und warum? “ Sagte Diemand.
Theoretische Modelle, bei denen die Sternentstehung auf bestimmte Arten von Halos aus dunkler Materie beschränkt ist - ausreichend massive oder frühbildende -, könnten helfen, die Diskrepanz zu beheben, sagte Madau.
Obwohl die Natur der dunklen Materie ein Rätsel bleibt, scheint sie etwa 82 Prozent der Materie im Universum zu ausmachen. Infolgedessen wurde die Entwicklung der Struktur im Universum durch die Gravitationswechselwirkungen der Dunklen Materie vorangetrieben. Die „normale“ Materie, die Gas und Sterne bildet, ist in die „Gravitationsquellen“ gefallen, die durch Klumpen dunkler Materie erzeugt werden, wodurch Galaxien in den Zentren der Halos der dunklen Materie entstehen.
Anfänglich wirkte die Schwerkraft auf leichte Dichteschwankungen, die kurz nach dem Urknall auftraten, um die ersten Klumpen dunkler Materie zusammenzureißen. Diese wuchsen durch die hierarchische Verschmelzung kleinerer Vorfahren zu immer größeren Klumpen. Dies ist der Prozess, den die UCSC-Forscher auf dem Columbia-Supercomputer im NASA Ames Research Center, einem der schnellsten Computer der Welt, simuliert haben. Die Simulation dauerte einige Monate und lief auf 300 bis 400 Prozessoren gleichzeitig für 320.000 „CPU-Stunden“, sagte Diemand.
Der Koautor Michael Kuhlen, der als Doktorand an der UCSC mit der Arbeit an dem Projekt begann und jetzt am Institute for Advanced Study in Princeton arbeitet, sagte, die Forscher hätten die Anfangsbedingungen auf der Grundlage der neuesten Ergebnisse der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) festgelegt. Experiment. Die neuen WMAP-Ergebnisse wurden im März veröffentlicht und bieten das detaillierteste Bild des Säuglingsuniversums.
Die Simulation beginnt etwa 50 Millionen Jahre nach dem Urknall und berechnet die Wechselwirkungen von 234 Millionen Partikeln dunkler Materie über 13,7 Milliarden Jahre kosmologischer Zeit, um einen Lichthof im gleichen Maßstab wie die Milchstraße zu erzeugen. Die Klumpen innerhalb des Halos sind die Überreste von Fusionen, bei denen die Kerne kleinerer Halos als schwerkraftgebundene Subhalos überlebten, die im größeren Wirtssystem umkreisten.
Die Simulation ergab fünf massive Subhalos (jedes mehr als 30 Millionen Mal die Masse der Sonne) und viele kleinere innerhalb der inneren 10 Prozent des Wirtshalos. Doch nur eine bekannte Zwerggalaxie (Schütze) befindet sich so nahe am Zentrum der Milchstraße, sagte Diemand.
„In derselben Region, in der sich die Scheibe der Milchstraße befinden würde, befinden sich große Klumpen dunkler Materie. Selbst in der Nachbarschaft unseres Sonnensystems kann die Verteilung der Dunklen Materie komplizierter sein, als wir angenommen haben “, sagte er.
Astronomen können möglicherweise mit zukünftigen Gammastrahlenteleskopen Klumpen dunkler Materie im Halo der Milchstraße erkennen, aber nur, wenn die dunkle Materie aus den Arten von Partikeln besteht, die Gammastrahlenemissionen verursachen würden. Bestimmte Kandidaten für dunkle Materie - wie das Neutralino, ein theoretisches Teilchen, das von der Supersymmetrietheorie vorhergesagt wird - könnten bei Kollisionen vernichten (dh sich gegenseitig zerstören), neue Teilchen erzeugen und Gammastrahlen emittieren.
"Bestehende Gammastrahlenteleskope haben keine Vernichtung der Dunklen Materie festgestellt, aber bevorstehende Experimente werden empfindlicher sein, so dass die Hoffnung besteht, dass einzelne Subhalos eine beobachtbare Signatur erzeugen", sagte Kuhlen.
Insbesondere die Astronomen freuen sich auf interessante Ergebnisse des Gamma Ray Large Area Space Telescope (GLAST), dessen Start für 2007 geplant ist.
Die Simulation bietet auch ein nützliches Werkzeug für beobachtende Astronomen, die die ältesten Sterne unserer Galaxie untersuchen, indem sie eine Verbindung zwischen aktuellen Beobachtungen und früheren Phasen der Galaxienbildung herstellt, sagte Diemand.
„Die ersten kleinen Galaxien bildeten sich sehr früh, etwa 500 Millionen Jahre nach dem Urknall, und es gibt noch heute Sterne in unserer Galaxie, die sich zu diesem frühen Zeitpunkt gebildet haben, wie ein Fossilienbestand der frühen Sternentstehung. Unsere Simulation kann den Kontext liefern, aus dem diese alten Sterne stammen und wie sie heute in Zwerggalaxien und in bestimmten Umlaufbahnen im Sternhalo gelandet sind “, sagte Diemand.
Ursprüngliche Quelle: UC Santa Cruz Pressemitteilung
