Donkere materie is een soort materie in het universum die geen licht absorbeert, weerkaatst of uitstraalt, waardoor het onmogelijk is om het direct te detecteren. In de afgelopen jaren hebben astrofysici en kosmologen over de hele wereld geprobeerd dit ongrijpbare type materie indirect te detecteren, om de unieke kenmerken en samenstelling ervan beter te begrijpen.

Een van de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie is "fuzzy dark matter", een hypothetische vorm van donkere materie waarvan wordt gedacht dat het uit extreem lichte scalaire deeltjes bestaat. Het is bekend dat dit soort materie moeilijk te simuleren is, vanwege zijn unieke eigenschappen.

Onderzoekers van de Universidad de Zaragoza in Spanje en het Instituut voor Astrofysica in Duitsland hebben onlangs een nieuwe methode voorgesteld die kan worden gebruikt om de vage donkere materie te simuleren die een galactische halo vormt. Deze methode, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters , is gebaseerd op de aanpassing van een algoritme dat het team in hun eerdere werken heeft geïntroduceerd.

"De numerieke uitdaging voor studies die zich richten op vage donkere materie is dat de onderscheidende kenmerken, de korrelige dichtheidsfluctuaties in samengevouwen halo's en filamenten, ordes van grootte kleiner zijn dan elke kosmologische simulatiebox die groot genoeg is om de dynamiek van het kosmische web nauwkeurig vast te leggen." Bodo Schwabe, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, vertelde Phys.org. "Dus hebben mensen jarenlang geprobeerd efficiënte numerieke methoden te combineren die de grootschalige dynamiek vastleggen met algoritmen die rekenkundig veeleisend zijn, maar deze dichtheidsfluctuaties nauwkeurig kunnen evolueren."

Als onderdeel van hun recente onderzoek hebben Schwabe en zijn collega Jens C. Niemeyer een algoritme aangepast en verbeterd dat ze in hun eerdere werk hadden geïntroduceerd. Tot nu toe is de methode die ze hebben ontwikkeld de enige die met succes kan worden gebruikt om vage kosmologische simulaties van donkere materie uit te voeren.

Met hun aangepaste algoritme konden de onderzoekers de ineenstorting van het kosmosweb in filamenten en halo's simuleren. Dit werd bereikt met behulp van de zogenaamde "n-body-methode", die het "initiële dichtheidsveld" verdeelt in kleine deeltjes die vrij evolueren onder de zwaartekracht.

"De n-body-methode is een zeer stabiele, goed geteste en efficiënte methode, maar het legt de dichtheidsfluctuaties van het storende vage donkere materieveld in filamenten en halo's niet vast", legt Schwabe uit. "In een klein subvolume van onze simulatiebox die het centrum een ​​vooraf geselecteerde halo volgt, zijn we daarom overgestapt op een ander algoritme, bekend als de eindige-verschilmethode, die de vage golffunctie van donkere materie rechtstreeks evolueert en zo de storende modi die de karakteristieke granulaire dichtheidsfluctuaties opleveren."

Hoewel de n-lichaams- en de eindige-verschilmethoden wereldwijd door de astrofysica veel worden gebruikt om kosmologische simulaties uit te voeren, zijn ze zelden in combinatie gebruikt. Om hun simulaties uit te voeren, combineerden Schwabe en Niemeyer deze twee methoden, vertrouwend op de matiging ertussen op het oppervlak van het subvolume.

Meer specifiek bevordert de methode die ze gebruikten de n-lichaamsdeeltjes tot coherente golfpakketten die bekend staan ​​als "Gaussiaanse bundels". De superpositie van deze elementen leidde tot een vage golffunctie van donkere materie op hun snijpunt, waardoor ze uiteindelijk hun simulaties konden uitvoeren.

"Onze succesvolle combinatie van de n-body- en eindige-verschilmethoden baant de weg voor realistische kosmologische vage donkere materie-simulaties", voegde Schwabe eraan toe. "These simulations can include the collision of two or more fuzzy dark matter halos, the evolution of star clusters inside a halo, or their interaction with the central solitonic core whose random walk can potentially heat up or even disrupt the star cluster." + Verder verkennen

This is how a 'fuzzy' universe may have looked

© 2022 Science X Network