Wetenschap
Simulaties van astronomen ondersteunen de theorie van donkere materie
Computersimulaties door astronomen ondersteunen het idee dat donkere materie – materie die nog niemand direct heeft gedetecteerd, maar waarvan veel natuurkundigen denken dat deze aanwezig moet zijn om verschillende aspecten van het waarneembare heelal te verklaren – bestaat, aldus de onderzoekers, waaronder ook die van de Universiteit van Californië, Irvine.
Het werk richt zich op een fundamenteel debat in de astrofysica:moet er onzichtbare donkere materie bestaan om te verklaren hoe het universum werkt zoals het werkt, of kunnen natuurkundigen uitleggen hoe dingen werken uitsluitend op basis van de materie die we direct kunnen waarnemen? Momenteel denken veel natuurkundigen dat er zoiets als donkere materie moet bestaan om de bewegingen van sterren en sterrenstelsels te verklaren.
"Ons artikel laat zien hoe we echte, waargenomen relaties kunnen gebruiken als basis om twee verschillende modellen te testen om het universum te beschrijven", zegt Francisco Mercado, hoofdauteur en recentelijk gepromoveerd. afgestudeerd aan de UC Irvine Department of Physics &Astronomy, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan het Pomona College. "We hebben een krachtige test ontwikkeld om onderscheid te maken tussen de twee modellen."
De test omvatte het uitvoeren van computersimulaties met beide soorten materie – normaal en donker – om de aanwezigheid van intrigerende kenmerken, gemeten in echte sterrenstelsels, te verklaren. Het team rapporteerde hun resultaten in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .
De kenmerken van sterrenstelsels die het team heeft gevonden "zullen naar verwachting verschijnen in een universum met donkere materie, maar zouden moeilijk te verklaren zijn in een universum zonder donkere materie", aldus Mercado. "We laten zien dat dergelijke kenmerken voorkomen in observaties van veel echte sterrenstelsels. Als we deze gegevens op het eerste gezicht beschouwen, bevestigt dit opnieuw de positie van het donkere-materiemodel als het model dat het universum waarin we leven het beste beschrijft."
Deze kenmerken die Mercado opmerkte, beschrijven patronen in de bewegingen van sterren en gas in sterrenstelsels die alleen mogelijk lijken te zijn in een universum met donkere materie.
“Waargenomen sterrenstelsels lijken zich te houden aan een nauwe relatie tussen de materie die we zien en de afgeleide donkere materie die we waarnemen, zozeer zelfs dat sommigen hebben gesuggereerd dat wat wij donkere materie noemen in werkelijkheid een bewijs is dat onze theorie van de zwaartekracht verkeerd is,” zei co-onderzoeker auteur James Bullock, hoogleraar natuurkunde aan de UCI en decaan van de UCI School of Physical Sciences.
"Wat we hebben laten zien is dat donkere materie niet alleen de relatie voorspelt, maar dat het voor veel sterrenstelsels ook op natuurlijkere wijze kan verklaren wat we zien dan de gewijzigde zwaartekracht. Ik ben er zelfs nog meer van overtuigd dat donkere materie het juiste model is."
De kenmerken komen ook voor in observaties van voorstanders van een universum zonder donkere materie. "De waarnemingen die we hebben onderzocht – juist de waarnemingen waarbij we deze kenmerken aantroffen – werden uitgevoerd door aanhangers van theorieën over donkere materie-vrije theorieën", zegt co-auteur Jorge Moreno, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan het Pomona College.
"Ondanks hun duidelijke aanwezigheid werd er door die gemeenschap weinig tot geen analyse op deze kenmerken uitgevoerd. Er waren mensen zoals wij, wetenschappers die met zowel reguliere als donkere materie werkten, nodig om het gesprek op gang te brengen."
Moreno voegde eraan toe dat hij verwacht dat er in de nasleep van het onderzoek discussie binnen zijn onderzoeksgemeenschap zal volgen, maar dat er ruimte kan zijn voor overeenstemming, aangezien het team ook ontdekte dat dergelijke kenmerken alleen in hun simulaties verschijnen als er zowel donkere materie als normale materie aanwezig is. materie in het heelal.
‘Terwijl sterren worden geboren en sterven, exploderen ze tot supernova’s, die de centra van sterrenstelsels kunnen vormen, wat op natuurlijke wijze het bestaan van deze kenmerken verklaart’, zegt Moreno. "Simpel gezegd vereisen de kenmerken die we in observaties hebben onderzocht zowel het bestaan van donkere materie als de integratie van de fysica van normale materie."
Nu het donkere-materiemodel van het universum het leidende lijkt te zijn, is de volgende stap, zo legde Mercado uit, kijken of het consistent blijft in een donkere-materie-universum.
"Het zou interessant zijn om te zien of we dezelfde relatie zouden kunnen gebruiken om zelfs maar onderscheid te maken tussen verschillende modellen voor donkere materie", zegt Mercado. "Inzicht in hoe deze relatie verandert onder verschillende modellen voor donkere materie zou ons kunnen helpen de eigenschappen van donkere materie zelf te beperken."