Donkere materie was waarschijnlijk het startingrediënt voor het brouwen van de allereerste sterrenstelsels in het universum. Kort na de oerknal, deeltjes donkere materie zouden samengeklonterd zijn in gravitationele "halo's, "omringend gas in hun kernen te trekken, die na verloop van tijd afkoelde en condenseerde tot de eerste sterrenstelsels.

Hoewel donkere materie wordt beschouwd als de ruggengraat van de structuur van het heelal, wetenschappers weten heel weinig over de aard ervan, omdat de deeltjes tot nu toe aan detectie zijn ontsnapt.

Nu wetenschappers van MIT, Princeton Universiteit, en Cambridge University hebben ontdekt dat het vroege heelal, en de allereerste sterrenstelsels, zou er heel anders hebben uitgezien, afhankelijk van de aard van donkere materie. Voor de eerste keer, het team heeft gesimuleerd hoe de vroege vorming van sterrenstelsels eruit zou hebben gezien als donkere materie "vaag, " in plaats van koud of warm.

In het meest algemeen aanvaarde scenario, donkere materie is koud, bestaande uit langzaam bewegende deeltjes die, afgezien van zwaartekrachteffecten, geen interactie hebben met gewone materie. Warme donkere materie wordt beschouwd als een iets lichtere en snellere versie van koude donkere materie. En vage donkere materie, een relatief nieuw concept, is iets heel anders, bestaande uit ultralichte deeltjes, elk ongeveer 1 octiljoenste (10 ^-27 ) de massa van een elektron (een koude donkere-materiedeeltje is veel zwaarder - ongeveer 105 keer massiever dan een elektron).

In hun simulaties de onderzoekers ontdekten dat als donkere materie koud is, dan zouden sterrenstelsels in het vroege heelal zich hebben gevormd in bijna bolvormige halo's. Maar als de aard van donkere materie wazig of warm is, het vroege heelal zou er heel anders hebben uitgezien, met sterrenstelsels die zich het eerst vormen in uitgestrekte, staartachtige filamenten. In een wazig universum, deze filamenten zouden gestreept zijn, als door sterren verlichte snaren op een harp.

Naarmate nieuwe telescopen online komen, met het vermogen om verder terug te kijken in het vroege heelal, wetenschappers kunnen afleiden, van het patroon van melkwegvorming, of de aard van donkere materie, die tegenwoordig bijna 85 procent van de materie in het heelal uitmaakt, is wazig in tegenstelling tot koud of warm.

"De eerste sterrenstelsels in het vroege heelal kunnen verlichten wat voor soort donkere materie we vandaag hebben, " zegt Mark Vogelsberger, universitair hoofddocent natuurkunde aan het Kavli Institute for Astrophysics and Space Research van MIT. "Of we zien dit filamentpatroon, en vage donkere materie is aannemelijk, of wij niet, en we kunnen dat model uitsluiten. We hebben nu een blauwdruk om dit te doen."

Vogelsberger is co-auteur van een artikel dat verschijnt in Fysieke beoordelingsbrieven , samen met de hoofdauteur van het artikel, Philip Mocz van Princeton University, en Anastasia Fialkov van Cambridge University en voorheen de University of Sussex.

vage golven

Hoewel donkere materie nog niet direct kan worden gedetecteerd, de hypothese die donkere materie als koud beschrijft, is succesvol gebleken bij het beschrijven van de grootschalige structuur van het waarneembare heelal. Als resultaat, modellen voor de vorming van sterrenstelsels zijn gebaseerd op de veronderstelling dat donkere materie koud is.

"Het probleem is, er zijn enkele discrepanties tussen waarnemingen en voorspellingen van koude donkere materie, " merkt Vogelsberger op. "Bijvoorbeeld als je naar hele kleine sterrenstelsels kijkt, de afgeleide verdeling van donkere materie binnen deze sterrenstelsels komt niet helemaal overeen met wat theoretische modellen voorspellen. Dus daar zit spanning."

Binnenkomen, dan, alternatieve theorieën voor donkere materie, inclusief warme, en wazig, die onderzoekers de afgelopen jaren hebben voorgesteld.

"De aard van donkere materie is nog steeds een mysterie, " Fialkov zegt. "Vage donkere materie wordt gemotiveerd door fundamentele fysica, bijvoorbeeld, snaartheorie, en is dus een interessante kandidaat voor donkere materie. Kosmische structuren vormen de sleutel tot het valideren of uitsluiten van dergelijke donkere materie-modellen."

Fuzzy donkere materie bestaat uit deeltjes die zo licht zijn dat ze werken in een kwantum, golfachtige mode, in plaats van als individuele deeltjes. Dit kwantum, wazige natuur, Mocz zegt, had vroege sterrenstelsels kunnen produceren die er heel anders uitzien dan wat standaardmodellen voorspellen voor koude donkere materie.

"Hoewel in het late heelal deze verschillende scenario's voor donkere materie vergelijkbare vormen voor sterrenstelsels kunnen voorspellen, de eerste sterrenstelsels zouden opvallend anders zijn, wat ons een idee zal geven van wat donkere materie is, ' zegt Mocz.

Om te zien hoe verschillend een koud en een wazig vroeg universum zou kunnen zijn, de onderzoekers simuleerden een kleine, kubieke ruimte van het vroege heelal, met een doorsnede van ongeveer 3 miljoen lichtjaar, en liep het vooruit in de tijd om te zien hoe sterrenstelsels zich zouden vormen, gegeven een van de drie scenario's voor donkere materie:koud, warm, en wazig.

Het team begon elke simulatie door uit te gaan van een bepaalde verdeling van donkere materie, waarvan wetenschappers enig idee hebben, gebaseerd op metingen van de kosmische microgolfachtergrond - "relikwiestraling" die werd uitgezonden door, en werd slechts 400 gedetecteerd, 000 jaar later, de oerknal.

"Donkere materie heeft geen constante dichtheid, zelfs in deze vroege tijden, " zegt Vogelsberger. "Er zijn kleine verstoringen bovenop een veld met constante dichtheid."

De onderzoekers konden bestaande algoritmen gebruiken om de vorming van sterrenstelsels te simuleren onder scenario's van koude en warme donkere materie. Maar om vage donkere materie te simuleren, met zijn kwantumkarakter, ze hadden een nieuwe aanpak nodig.

Een kaart van harpsnaren

De onderzoekers hebben hun simulatie van koude donkere materie aangepast, waardoor het twee extra vergelijkingen kan oplossen om de vorming van sterrenstelsels in een vaag universum van donkere materie te simuleren. De eerste, vergelijking van Schrödinger, beschrijft hoe een kwantumdeeltje werkt als een golf, terwijl de tweede, De vergelijking van Poisson, beschrijft hoe die golf een dichtheidsveld genereert, of verdeling van donkere materie, en hoe die verdeling tot zwaartekracht leidt - de kracht die uiteindelijk materie naar binnen trekt om sterrenstelsels te vormen. Vervolgens koppelden ze deze simulatie aan een model dat het gedrag van gas in het heelal beschrijft, en de manier waarop het in sterrenstelsels condenseert als reactie op zwaartekrachtseffecten.

In alle drie de scenario's sterrenstelsels vormden zich overal waar sprake was van overdichtheid, of grote concentraties van door de zwaartekracht ingestorte donkere materie. Het patroon van deze donkere materie, echter, was anders, afhankelijk van of het koud was, warm, of vaag.

In een scenario van koude donkere materie, sterrenstelsels gevormd in bolvormige halo's, evenals kleinere subhalo's. Warme donkere materie produceerde eerste sterrenstelsels in staartachtige filamenten, en geen subhalo's. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat warme donkere materie lichter is, snellere natuur, waardoor deeltjes minder snel blijven hangen in kleinere, subhalo klonten.

Net als bij warme donkere materie, vage donkere materie vormde sterren langs filamenten. Maar toen namen kwantumgolfeffecten het over bij het vormgeven van de sterrenstelsels, die meer gestreepte filamenten vormden, als snaren op een onzichtbare harp. Vogelsberger zegt dat dit gestreepte patroon te wijten is aan interferentie, een effect dat optreedt wanneer twee golven elkaar overlappen. Wanneer dit gebeurt, bijvoorbeeld in golven van licht, de punten waar de toppen en dalen van elke golf op één lijn liggen, vormen donkere vlekken, het creëren van een afwisselend patroon van lichte en donkere gebieden.

In het geval van vage donkere materie, in plaats van heldere en donkere punten, het genereert een afwisselend patroon van te hoge en te lage concentraties donkere materie.

"Je zou veel aantrekkingskracht krijgen bij deze overdichtheden, en het gas zou volgen, en op een gegeven moment sterrenstelsels zouden vormen langs die overdichtheden, en niet de onderdichtheid, " legt Vogelsberger uit. "Deze foto zou in het hele vroege heelal worden gerepliceerd."

Het team ontwikkelt meer gedetailleerde voorspellingen van hoe vroege sterrenstelsels eruit zouden kunnen zien in een universum dat wordt gedomineerd door vage donkere materie. Hun doel is om een ​​kaart te leveren voor toekomstige telescopen, zoals de James Webb-ruimtetelescoop, die misschien ver genoeg terug in de tijd kan kijken om de vroegste sterrenstelsels te zien. Als ze filamentaire sterrenstelsels zien zoals die gesimuleerd door Mocz, Fialkov, Vogelsberger, en hun collega's, het kunnen de eerste tekenen zijn dat de aard van donkere materie wazig is.

"Het is deze observatietest die we kunnen bieden voor de aard van donkere materie, gebaseerd op waarnemingen van het vroege heelal, die in de komende jaren haalbaar zal worden, ', zegt Vogelsberger.