Μια νέα υπολογιστική ανακάλυψη δίνει στους επιστήμονες μια πιο σαφή εικόνα για το πώς εξελίσσονται οι δομές της σκοτεινής ύλης.
H εξέλιξη της σκοτεινής ύλης
Η σκοτεινή ύλη παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην κοσμολογία για σχεδόν εκατό χρόνια, διαμορφώνοντας το σύμπαν ενώ παραμένει αόρατη και ελάχιστα κατανοητή. Μια νέα μελέτη από ερευνητές του Ινστιτούτου Perimeter εισάγει τώρα ένα υπολογιστικό εργαλείο σχεδιασμένο για να παρακολουθεί την εξέλιξη ενός συγκεκριμένου υποψηφίου σκοτεινής ύλης, γνωστού ως αυτο-αλληλεπιδρώντων φωτοστέφανων σκοτεινής ύλης. Αυτές οι τεράστιες δομές πιστεύεται ότι φιλοξενούν γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας μας.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, διευρύνει την ικανότητα των επιστημόνων να διερευνήσουν πώς διαφορετικοί τύποι αλληλεπιδράσεων σωματιδίων σκοτεινής ύλης επηρεάζουν την ανάπτυξη και τη συμπεριφορά των κοσμικών δομών με την πάροδο του χρόνου.
Η αυτο-αλληλεπιδρών σκοτεινή ύλη ορίζεται από την ικανότητα των σωματιδίων της να συγκρούονται μεταξύ τους, ενώ παραμένουν ουσιαστικά αόρατες στη συνηθισμένη βαρυονική ύλη, συμπεριλαμβανομένων των πρωτονίων, των νετρονίων και των ηλεκτρονίων. Αυτή η συμπεριφορά έχει σημαντικές συνέπειες για τα φωτοστέφανα σκοτεινής ύλης, τα οποία πολλοί θεωρητικοί πιστεύουν ότι είναι κεντρικά στις διαδικασίες που διαμορφώνουν τους γαλαξίες και πυροδοτούν τον σχηματισμό των αστεριών.
«Η σκοτεινή ύλη σχηματίζει σχετικά διάχυτες συστάδες που εξακολουθούν να είναι πολύ πυκνότερες από τη μέση πυκνότητα του σύμπαντος», λέει ο James Gurian, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Perimeter. «Ο Γαλαξίας μας και άλλοι γαλαξίες ζουν σε αυτές τις άλω σκοτεινής ύλης».
Βραβοθερμική Κατάρρευση και Εξέλιξη Άλω
Η εξέλιξη των αυτο-αλληλεπιδρώντων άλω σκοτεινής ύλης διέπεται από ένα φαινόμενο γνωστό ως βαροθερμική κατάρρευση. Αυτή η διαδικασία προκύπτει από μια αντίθετη προς τη διαίσθηση ιδιότητα της βαρύτητας, όπου τα συστήματα που δεσμεύονται από τη βαρύτητα γίνονται θερμότερα αντί για ψυχρότερα καθώς χάνουν ενέργεια.
Επειδή η αυτο-αλληλεπιδρώσα σκοτεινή ύλη μπορεί να μεταφέρει ενέργεια μέσω συγκρούσεων σωματιδίων, αυτή η ενέργεια ρέει σταδιακά προς τα έξω μέσα σε μια άλω. Ως αποτέλεσμα, η κεντρική περιοχή γίνεται ολοένα και πιο ζεστή και πυκνή, οδηγώντας σε περαιτέρω αλλαγές στη δομή της άλω με την πάροδο του χρόνου.
Οι προσεγγίσεις για την σκοτεινή ύλη
Για να χαρτογραφήσουν τις δομές που σχηματίζονται από την αυτο-αλληλεπιδρώσα σκοτεινή ύλη, οι επιστήμονες συνήθως χρησιμοποιούν μία προσέγγιση για το πότε η σκοτεινή ύλη είναι λιγότερο πυκνή με σπάνιες συγκρούσεις και μια διαφορετική προσέγγιση για τη σκοτεινή ύλη που είναι πυκνότερη με πιο συχνές συγκρούσεις - αλλά δεν είχαν μια προσέγγιση χαρτογράφησης για ενδιάμεσους χαρακτηρισμούς. Ο Gurian και ο συν-συγγραφέας του, Simon May, πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής του Perimeter, ανέπτυξαν έναν κώδικα, τον KISS-SIDM, ο οποίος είναι ταχύτερος και ακριβέστερος από τους προηγούμενους κώδικες και είναι δημόσια διαθέσιμος για χρήση από τους ερευνητές.
Επιπτώσεις για τον σχηματισμό μαύρης τρύπας
Η κατανόηση της διαδικασίας κατάρρευσης του πυρήνα ενδιαφέρει επίσης τους φυσικούς επειδή θα μπορούσε να έχει παρατηρήσιμες επιπτώσεις στον σχηματισμό μαύρης τρύπας. Αλλά οι λεπτομέρειες για το πώς τελειώνει η διαδικασία είναι ένα ανοιχτό ερώτημα στη φυσική και αυτός ο κώδικας είναι ένα βήμα προς την απάντηση σε αυτό.
«Το θεμελιώδες ερώτημα είναι, ποιο είναι το τελικό σημείο αυτής της κατάρρευσης; Αυτό θα θέλαμε πραγματικά να κάνουμε - να μελετήσουμε τη φάση μετά τον σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας», λέει ο Gurian.
