Mørkt stofklynger kunne afsløre naturen af ​​mørk energi

Forskere håber på at forstå et af de mest varige mysterier i kosmologien ved at simulere dets virkning på galaksernes klyngedannelse.

Det mysterium er mørk energi - det fænomen, som videnskabsmænd antager, får universet til at udvide sig med en stadig hurtigere hastighed. Ingen ved noget om mørk energi, bortset fra at det kunne være, på en eller anden måde, blæser stort set alt fra hinanden.

I mellemtiden mørk energi har en lige så lyssky fætter - mørkt stof. Dette usynlige stof ser ud til at have klynget sig omkring galakser, og forhindrer dem i at snurre sig selv fra hinanden, ved at give dem en ekstra tyngdekraft.

En sådan klyngeeffekt er i konkurrence med mørk energis accelererende ekspansion. Men at studere den præcise karakter af denne konkurrence kan kaste lidt lys over mørk energi.

"Mange mørk energimodeller er allerede udelukket med aktuelle data, " sagde Dr. Alexander Mead, en kosmolog ved University of British Columbia i Vancouver, Canada, der arbejder på et projekt kaldet Halo-modellering. "Forhåbentlig kan vi i fremtiden udelukke mere."

Gravitationslinser

I øjeblikket, den eneste måde, hvorpå mørkt stof kan observeres, er ved at lede efter virkningerne af dets tyngdekraft på andet stof og lys. Det intense gravitationsfelt, det producerer, kan få lys til at forvrænge og bøje sig over store afstande - en effekt kendt som gravitationslinse.

Ved at kortlægge det mørke stof i fjerne dele af kosmos, videnskabsmænd kan regne ud, hvor meget mørkt stof-klynger der er – og i princippet hvordan denne klynger bliver påvirket af mørk energi.

Forbindelsen mellem gravitationslinser og klynger af mørkt stof er ikke ligetil, imidlertid. For at fortolke data fra teleskoper, videnskabsmænd skal henvise til detaljerede kosmologiske modeller - matematiske repræsentationer af komplekse systemer.

Dr. Mead udvikler en klyngemodel, som han håber vil have nok nøjagtighed til at skelne mellem forskellige hypoteser om mørk energi.

"En analogi, jeg holder meget af, er turbulens. I turbulent væskeflow kan man tale om strømme og hvirvler, som er pæne ord, men virkeligheden af, hvordan væske i et rør går fra at flyde roligt til at flyde på en turbulent måde, er ekstremt kompliceret."

Femte kraft

En af de mere eksotiske teorier er, at mørk energi er resultatet af en hidtil uopdaget femte kraft, ud over naturens fire kendte kræfter - tyngdekraften, elektromagnetisme, og de stærke og svage kernekræfter inde i atomer.

En mere almindelig hypotese for mørk energi, imidlertid, er kendt som den kosmologiske konstant, som blev fremsat af Albert Einstein som en del af hans generelle relativitetsteori. Det menes ofte at beskrive et altomfattende hav af virtuelle partikler, der løbende popper ind og ud af eksistens i hele universet.

En måde at udelukke den kosmologiske konstanthypotese, selvfølgelig, er at bevise, at mørk energi slet ikke er konstant. Dette er målet for Dr. Pier Stefano Corasaniti fra Paris Observatory i Frankrig, der – i et projekt kaldet EDECS – nærmer sig klyngedannelse af mørkt stof fra en anden retning.

I stedet for at forsøge at modellere klynger ud fra gravitationslinsedata, han begynder specifikt med en dynamisk – dvs. ikke konstant - hypotese om mørk energi, og forsøger at forudsige, hvordan mørkt stof ville samle sig, hvis dette var tilfældet.

At rykke grænserne

Der er, i princippet, uendelige måder mørk energi kan variere i rum og tid, selvom mange teorier allerede er blevet udelukket af eksisterende observationer. Dr. Corasaniti fokuserer sine simuleringer på typer af dynamisk mørk energi, der skubber på kanten af ​​disse observationsgrænser, bane vejen for test med fremtidige eksperimenter.

Simuleringerne, som sporer udviklingen af ​​mange, "N-body" mørkt stof partikler, kræver supercomputere, der kører i lange perioder, behandle flere petabytes (et tusinde millioner millioner bytes) data.

"Vi har kørt blandt de største kosmologiske N-legeme-simuleringer, der nogensinde er realiseret, " sagde Dr. Corasaniti.

Dr. Corasanitis simuleringer forudsiger, at den måde, mørk energi udvikler sig over tid, burde påvirke mørkt stof-klynger. Det her, på tur, ændrer effektiviteten, hvormed galakser dannes på måder, som ikke ville være tilfældet med konstant mørk energi.

De forudsigelser, hans modeller laver, kunne testes ved hjælp af kommende teleskoper, såsom Large Synoptic Survey Telescope i Chile og Square Kilometer Array i Australien og Sydafrika, såvel som ved satellitmissioner som Euclid (EUropean Cooperation for Lighting Detection) og WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope).

"Hvis mørk energi viser sig at være et dynamisk fænomen, vil dette have en dybtgående betydning ikke kun for kosmologi, men på vores forståelse af grundlæggende fysik, " sagde Dr. Corasaniti.