Een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Californië, rivieroever, meldt dat kleine satellietstelsels van de Melkweg kunnen worden gebruikt om fundamentele eigenschappen van "donkere materie" te testen - niet-lichtgevend materiaal waarvan wordt aangenomen dat het 85% van de materie in het universum uitmaakt.

Met behulp van geavanceerde simulaties, de onderzoekers tonen een theorie genaamd zelf-interagerende donkere materie, of SIDM, kan op overtuigende wijze de verschillende distributies van donkere materie in Draco en Fornax verklaren, twee van de meer dan 50 ontdekte satellietstelsels van de Melkweg.

De heersende donkere materie theorie, genaamd koude donkere materie, of CDM, verklaart veel van het universum, inclusief hoe structuren daarin ontstaan. Maar een langdurige uitdaging voor CDM was het verklaren van de diverse verdelingen van donkere materie in sterrenstelsels.

De onderzoekers, geleid door Hai-Bo Yu van UC Riverside en Laura V. Sales, bestudeerde de evolutie van SIDM "subhalo's" in het "getijdenveld" van de Melkweg - de gradiënt in het zwaartekrachtveld van de Melkweg die een satellietstelsel voelt in de vorm van een getijdekracht. Subhalo's zijn klonten van donkere materie die de satellietstelsels herbergen.

"We ontdekten dat SIDM diverse distributies van donkere materie kan produceren in de halo's van Draco en Fornax, in overeenstemming met de waarnemingen, " zei Yu, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en een theoretisch fysicus met expertise in deeltjeseigenschappen van donkere materie. "In SIDM, de interactie tussen de subhalo's en de getijden van de Melkweg leidt tot meer diverse verdelingen van donkere materie in de binnenste regionen van subhalo's, in vergelijking met hun CDM-tegenhangers."

Draco en Fornax hebben tegengestelde uitersten in hun innerlijke donkere materie-inhoud. Draco heeft de hoogste dichtheid van donkere materie van de negen heldere satellietstelsels van de Melkweg; Fornax heeft de laagste. Met behulp van geavanceerde astronomische metingen, astrofysici hebben onlangs hun baanbanen in het getijdenveld van de Melkweg gereconstrueerd.

"Onze uitdaging was om de oorsprong van de diverse donkere materieverdelingen van Draco en Fornax te begrijpen in het licht van deze nieuw gemeten orbitale banen, "Zei Yu. "We ontdekten dat SIDM een verklaring kan geven nadat we zowel getijeffecten als zelfinteracties met donkere materie hebben onderzocht."

Studieresultaten verschijnen in Fysieke beoordelingsbrieven .

De aard van donkere materie blijft grotendeels onbekend. In tegenstelling tot normale materie, het absorbeert niet, reflecteren, of licht uitstralen, waardoor het moeilijk te detecteren is. Het identificeren van de aard van donkere materie is een centrale taak in de deeltjesfysica en astrofysica.

bij CDM, donkere materiedeeltjes worden verondersteld botsingloos te zijn, en elk sterrenstelsel bevindt zich in een halo van donkere materie die de zwaartekrachtsteiger vormt die het bij elkaar houdt. In SIDM, donkere materie wordt voorgesteld om zelf-interactie door een nieuwe donkere kracht. Er wordt aangenomen dat donkere materiedeeltjes sterk met elkaar botsen in de binnenste halo, dicht bij het centrum van de melkweg - een proces dat zelfinteractie van donkere materie wordt genoemd.

"Ons werk toont aan dat satellietstelsels van de Melkweg belangrijke tests kunnen opleveren voor verschillende theorieën over donkere materie, " zei Verkoop, een assistent-professor natuurkunde en astronomie en een astrofysicus met expertise in numerieke simulaties van de vorming van sterrenstelsels. "We laten zien dat de wisselwerking tussen zelfinteracties van donkere materie en getijdeninteracties nieuwe handtekeningen in SIDM kan produceren die niet worden verwacht in de heersende CDM-theorie."

In hun werk, gebruikten de onderzoekers vooral numerieke simulaties, genaamd "N-body simulaties, " en verkregen waardevolle intuïtie door analytische modellering voordat ze hun simulaties uitvoerden.

"Onze simulaties onthullen een nieuwe dynamiek wanneer een SIDM-subhalo evolueert in het getijdenveld, " zei Omid Sameie, een voormalige UCR-afgestudeerde student die met Yu en Sales werkte en nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Universiteit van Texas in Austin die werkt aan numerieke simulaties van de vorming van sterrenstelsels. "Er werd gedacht dat waarnemingen van Draco niet overeenkwamen met SIDM-voorspellingen. Maar we ontdekten dat een subhalo in SIDM een hoge dichtheid van donkere materie kan produceren om Draco te verklaren."

Verkoop uitgelegd SIDM voorspelt een uniek fenomeen genaamd 'core ineenstorting'. In bepaalde omstandigheden, het binnenste deel van de halo bezwijkt onder invloed van de zwaartekracht en produceert een hoge dichtheid. Dit is in strijd met de gebruikelijke verwachting dat zelfinteracties van donkere materie leiden tot een halo met lage dichtheid. Sales zei dat de simulaties van het team de voorwaarden identificeren voor het instorten van de kern in subhalo's.

"Om Draco's hoge dichtheid van donkere materie te verklaren, de initiële haloconcentratie moet hoog zijn, ' zei ze. 'Er moet meer massa van donkere materie in de binnenste halo worden verdeeld. Hoewel dit geldt voor zowel CDM als SIDM, voor SIDM kan het fenomeen van de instorting van de kern alleen optreden als de concentratie hoog is, zodat de tijdschaal van de ineenstorting kleiner is dan de leeftijd van het heelal. Anderzijds, Fornax heeft een laaggeconcentreerde subhalo, en daarom blijft de dichtheid laag."

De onderzoekers benadrukten dat hun huidige werk zich voornamelijk richt op SIDM en geen kritische beoordeling maakt over hoe goed CDM zowel Draco als Fornax kan verklaren.

Nadat het team numerieke simulaties had gebruikt om goed rekening te houden met het dynamische samenspel tussen zelfinteracties van donkere materie en getijdeninteracties, de onderzoekers constateerden een opvallend resultaat.

"De centrale donkere materie van een SIDM-subhalo kan toenemen, tegen de gebruikelijke verwachting in, "Zei Sameie. "Belangrijk, onze simulaties identificeren voorwaarden voor het optreden van dit fenomeen in SIDM, en we laten zien dat het waarnemingen van Draco kan verklaren."

Het onderzoeksteam is van plan het onderzoek uit te breiden naar andere satellietstelsels, inclusief ultrazwakke sterrenstelsels.