Jagter mørkt stof med de ældste stjerner i Mælkevejen

Hvor hurtigt glider det mørke stof nær Jorden rundt? Mørkt stofs hastighed har vidtrækkende konsekvenser for moderne astrofysisk forskning, men denne grundlæggende egenskab har unddraget sig forskere i årevis.

I et papir offentliggjort 22. januar i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , et internationalt hold af astrofysikere gav den første ledetråd:Løsningen på dette mysterium, det viser sig, ligger blandt nogle af de ældste stjerner i galaksen.

"I bund og grund, disse gamle stjerner fungerer som synlige speedometre for det usynlige mørke stof, måler dens hastighedsfordeling nær Jorden, " sagde Mariangela Lisanti, en assisterende professor i fysik ved Princeton University. "Du kan tænke på de ældste stjerner som et lysende spor for det mørke stof. Selve det mørke stof vil vi aldrig se, fordi det ikke udsender lys i nogen observerbar grad - det er bare usynligt for os, Derfor har det været så svært at sige noget konkret om det."

For at bestemme, hvilke stjerner der opfører sig som de usynlige og uopdagelige partikler af mørkt stof, Lisanti og hendes kolleger vendte sig til en computersimulering, Eris, som bruger supercomputere til at replikere Mælkevejens fysik, inklusive mørkt stof.

"Vores hypotese var, at der er en undergruppe af stjerner, der af en eller anden grund, vil matche det mørke stofs bevægelser, " sagde Jonah Herzog-Arbeitman, en bachelor og en medforfatter på papiret. Hans arbejde med Lisanti og hendes kolleger sommeren efter hans første år på Princeton blev til en af ​​hans juniorartikler og bidrog til denne tidsskriftsartikel.

Herzog-Arbeitman og Lina Necib ved California Institute of Technology, en anden medforfatter på papiret, genereret adskillige plot fra Eris-data, der sammenlignede forskellige egenskaber af mørkt stof med egenskaber for forskellige undergrupper af stjerner.

Deres store gennembrud kom, da de sammenlignede hastigheden af ​​mørkt stof med stjerners med forskellige "metalliciteter, " eller forhold mellem tungmetaller og lettere grundstoffer.

Kurven, der repræsenterer mørkt stof, matchede smukt med de stjerner, der har de mindst tungmetaller:"Vi så alting på linje, " sagde Lisanti.

"Det var et af de gode eksempler på, at en ret fornuftig idé fungerede ret godt, " sagde Herzog-Arbeitman.

Astronomer har i årtier vidst, at metallicitet kan tjene som en proxy for en stjernes alder, da metaller og andre tunge grundstoffer dannes i supernovaer og sammensmeltninger af neutronstjerner. De små galakser, der smeltede sammen med Mælkevejen, har typisk forholdsvis færre af disse tunge grundstoffer.

Set i bakspejlet, sammenhængen mellem mørkt stof og de ældste stjerner burde ikke være overraskende, sagde Necib. "Det mørke stof og disse gamle stjerner har de samme begyndelsesbetingelser:de startede det samme sted, og de har de samme egenskaber ... så i slutningen af ​​dagen, det giver mening, at de begge kun påvirkes af tyngdekraften, " hun sagde.

Hvorfor det betyder noget

Siden 2009 har forskere har forsøgt at observere mørkt stof direkte, ved at lægge meget tæt materiale - ofte xenon - dybt under jorden og vente på, at det mørke stof, der strømmer gennem planeten, interagerer med det.

Lisanti sammenlignede disse "direkte påvisning" -eksperimenter med et spil billard:"Når en partikel af mørkt stof spreder en kerne i et atom, kollisionen ligner to billardkugler, der rammer hinanden. Hvis den mørke stof partikel er meget mindre massiv end kernen, så vil kernen ikke bevæge sig meget efter kollisionen, hvilket gør det virkelig svært at bemærke, at der skete noget."

Det er derfor, det er så vigtigt at begrænse hastigheden af ​​mørkt stof, forklarede hun. Hvis mørkt stof partikler er både langsomme og lette, de har måske slet ikke nok kinetisk energi til at flytte de nukleare "billardkugler" selvom de smutter lige ind i en.

"Men hvis det mørke stof kommer hurtigere ind, det kommer til at have mere kinetisk energi. Det kan øge chancen for, at i den kollision, kernens rekyl bliver større, så du kunne se det, " sagde Lisanti.

Oprindeligt, forskere havde forventet at se nok partikelinteraktioner - nok billardkugler i bevægelse - til at kunne udlede massen og hastigheden af ​​partiklerne i det mørke stof. Men, Lisanti sagde, "Vi har ikke set noget endnu."

Så i stedet for at bruge interaktionerne til at bestemme hastigheden, forskere som Lisanti og hendes kolleger håber på at vende manuskriptet, og brug hastigheden til at forklare, hvorfor de direkte detektionseksperimenter ikke har opdaget noget endnu.

Fejlen - i hvert fald indtil videre - af de direkte detektionseksperimenter fører til to spørgsmål, sagde Lisanti. "Hvordan skal jeg nogensinde finde ud af, hvad hastighederne på disse ting er?" og "Har vi ikke set noget, fordi der er noget anderledes i hastighedsfordelingen, end vi havde forventet?"

At have en helt uafhængig måde at regne ud hastigheden på mørkt stof kan hjælpe med at kaste lys over det, hun sagde. Men indtil videre, det er kun teoretisk. Astronomi i den virkelige verden har ikke indhentet det væld af data, der er produceret af Eris-simuleringen, så Lisanti og hendes kolleger ved endnu ikke, hvor hurtigt vores galakses ældste stjerner bevæger sig.

Heldigvis, at informationen samles lige nu af den europæiske rumfartsorganisations Gaia-teleskop, som har scannet Mælkevejen siden juli 2014. Indtil videre har information om kun en lille delmængde af stjerner er blevet frigivet, men det fulde datasæt vil omfatte langt flere data om næsten en milliard stjerner.

"Rigdommen af ​​data i horisonten fra nuværende og kommende stjerneundersøgelser vil give en unik mulighed for at forstå denne grundlæggende egenskab ved mørkt stof, "Sagde Lisanti.