science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Clusters van donkere materie kunnen de aard van donkere energie onthullen

Zwaartekrachtlenzen in clusters van sterrenstelsels zoals Abell 370 helpen wetenschappers om de verdeling van donkere materie te meten. Krediet:NASA, ESA, het Hubble SM4 ERO-team en ST-ECF

Wetenschappers hopen een van de meest blijvende mysteries in de kosmologie te begrijpen door het effect ervan op de clustering van sterrenstelsels te simuleren.

Dat mysterie is donkere energie - het fenomeen dat wetenschappers veronderstellen, zorgt ervoor dat het universum steeds sneller uitdijt. Niemand weet iets van donkere energie, behalve dat het zou kunnen, op de een of andere manier, zo'n beetje alles uit elkaar blazen.

In de tussentijd, donkere energie heeft een even duistere neef:donkere materie. Deze onzichtbare substantie lijkt zich te hebben geclusterd rond sterrenstelsels, en voorkomen dat ze zichzelf uit elkaar draaien, door ze een extra aantrekkingskracht te geven.

Een dergelijk clustereffect is in strijd met de versnellende expansie van donkere energie. Toch zou het bestuderen van de precieze aard van deze competitie enig licht kunnen werpen op donkere energie.

"Veel donkere energiemodellen zijn met de huidige gegevens al uitgesloten, " zei dr. Alexander Mead, een kosmoloog aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, Canada, die werkt aan een project genaamd Halo-modellering. "Hopelijk kunnen we in de toekomst meer uitsluiten."

Zwaartekrachtlens

Momenteel, de enige manier waarop donkere materie kan worden waargenomen, is door te zoeken naar de effecten van zijn zwaartekracht op andere materie en licht. Het intense zwaartekrachtveld dat het produceert, kan ervoor zorgen dat licht over grote afstanden vervormt en buigt - een effect dat bekend staat als zwaartekrachtlensing.

Door de donkere materie in verre delen van de kosmos in kaart te brengen, wetenschappers kunnen uitzoeken hoeveel clustering van donkere materie er is - en in principe hoe die clustering wordt beïnvloed door donkere energie.

Het verband tussen zwaartekrachtlenzen en clustering van donkere materie is niet eenvoudig, echter. Om de gegevens van telescopen te interpreteren, wetenschappers moeten verwijzen naar gedetailleerde kosmologische modellen - wiskundige representaties van complexe systemen.

Dr. Mead ontwikkelt een clustermodel waarvan hij hoopt dat het voldoende nauwkeurig zal zijn om onderscheid te maken tussen verschillende donkere-energiehypothesen.

"Een analogie die ik erg leuk vind, is met turbulentie. In turbulente vloeistofstroming kun je praten over stromingen en wervelingen, dat zijn mooie woorden, maar de realiteit van hoe vloeistof in een pijp gaat van rustig stromen naar stromend op een turbulente manier is buitengewoon gecompliceerd."

vijfde kracht

Een van de meer exotische theorieën is dat donkere energie het resultaat is van een tot nu toe onopgemerkte vijfde kracht, naast de vier bekende natuurkrachten:zwaartekracht, elektromagnetisme, en de sterke en zwakke kernkrachten in atomen.

Een meer algemene hypothese voor donkere energie, echter, staat bekend als de kosmologische constante, die door Albert Einstein naar voren werd gebracht als onderdeel van zijn algemene relativiteitstheorie. Er wordt vaak aangenomen dat het een allesdoordringende zee van virtuele deeltjes beschrijft die voortdurend in en uit het universum verschijnen.

Een manier om de kosmologische constante hypothese uit te sluiten, natuurlijk, is om te bewijzen dat donkere energie helemaal niet constant is. Dit is het doel van Dr. Pier Stefano Corasaniti van het Observatorium van Parijs in Frankrijk, die – in een project genaamd EDECS – clustering van donkere materie vanuit een andere richting benadert.

In plaats van te proberen clustering te modelleren op basis van zwaartekrachtlensgegevens, hij begint specifiek met een dynamisch - dat wil zeggen, niet constant - hypothese van donkere energie, en proberen te voorspellen hoe donkere materie zou clusteren als dit het geval was.

Grenzen verleggen

Er zijn, in principe, oneindige manieren waarop donkere energie kan variëren in ruimte en tijd, hoewel veel theorieën al zijn uitgesloten door bestaande waarnemingen. Dr. Corasaniti concentreert zijn simulaties op soorten dynamische donkere energie die aan de randen van deze waarnemingslimieten duwen, de weg vrijmaakt voor tests met toekomstige experimenten.

De simulaties, die de evolutie van talrijke, "N-lichaam" donkere materiedeeltjes, vereisen supercomputers die gedurende lange tijd draaien, het verwerken van meerdere petabytes (duizend miljoen miljoen bytes) aan gegevens.

"We hebben een van de grootste kosmologische N-lichaamsimulaties ooit gerealiseerd, ' zei Dr. Corasaniti.

Dr. Corasaniti's simulaties voorspellen dat de manier waarop donkere energie in de loop van de tijd evolueert, de clustering van donkere materie zou moeten beïnvloeden. Dit, beurtelings, verandert de efficiëntie waarmee sterrenstelsels worden gevormd op manieren die niet het geval zouden zijn met constante donkere energie.

De voorspellingen die zijn modellen doen, kunnen worden getest met behulp van toekomstige telescopen zoals de Large Synoptic Survey Telescope in Chili en de Square Kilometre Array in Australië en Zuid-Afrika, evenals door satellietmissies zoals Euclid (EUropean Cooperation for LIghtning Detection) en WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope).

"Als donkere energie een dynamisch fenomeen blijkt te zijn, zal dit niet alleen een diepgaande implicatie hebben voor de kosmologie, maar op basis van ons begrip van fundamentele fysica, " zei dr. Corasaniti.