En galaktisk test for at afklare eksistensen af ​​mørkt stof

Forskere ved University of Bonn og University of California i Irvine brugte sofistikerede computersimuleringer til at udtænke en test, der kunne besvare et brændende spørgsmål inden for astrofysik:eksisterer mørkt stof faktisk? Eller skal Newtons gravitationslov ændres? Den nye undersøgelse, nu offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve , viser, at svaret er skjult i stjernernes bevægelse i små satellitgalakser, der hvirvler rundt om Mælkevejen.

Ved at bruge en af ​​de hurtigste supercomputere i verden, forskerne har simuleret stoffordelingen af ​​de såkaldte satellit-"dværg"-galakser. Det er små galakser, der kredser om større galakser som Mælkevejen eller Andromeda.

Forskerne fokuserede på et forhold kaldet radial acceleration relation (RAR). I diskgalakser, stjerner bevæger sig i cirkulære kredsløb omkring det galaktiske centrum. Accelerationen, der tvinger dem til at ændre retning, er forårsaget af tiltrækningen af ​​stof i galaksen. RAR beskriver kun forholdet mellem denne acceleration og den, der forårsages af det synlige stof. Det giver et indblik i galaksernes struktur og deres stoffordeling.

"Vi har nu simuleret, for første gang, RAR for dværggalakser under antagelse af, at der findes mørkt stof, " forklarer prof. dr. Cristiano Porciani fra Argelander Institute for Astronomy ved universitetet i Bonn. "Det viste sig, at de opfører sig som nedskalerede versioner af større galakser." Men hvad nu hvis der ikke er mørkt stof og i stedet tyngdekraften virker anderledes end Newton troede? "I dette tilfælde, dværggalaksernes RAR afhænger stærkt af afstanden til deres modergalakse, mens dette ikke sker, hvis der findes mørkt stof, " forklarer forsker Emilio Romano-Díaz.

Denne forskel gør satellitterne til en kraftfuld sonde til at teste, om mørkt stof virkelig eksisterer. Gaia rumfartøjet, som blev opsendt af European Space Agency (ESA) i 2013, kunne give et svar. Den var designet til at studere stjernerne i Mælkevejen og dens satellitgalakser i hidtil uset detalje og har indsamlet en stor mængde data.

Imidlertid, det vil sandsynligvis tage år at analysere dataene. "Individuelle målinger er ikke nok til at teste de små forskelle, vi har fundet i vores simuleringer, "forklarer doktorand Enrico Garaldi." Men gentagne gange at undersøge de samme stjerner forbedrer målingerne hver gang. Før eller senere, det burde være muligt at afgøre, om dværggalakserne opfører sig som i et univers med mørkt stof - eller ej."

Cementen, der holder galakser sammen

Dette spørgsmål er et af de mest presserende spørgsmål i kosmologi i dag. Eksistensen af ​​mørkt stof blev foreslået for mere end 80 år siden af ​​den schweiziske astronom Fritz Zwicky. Han indså, at galakser bevæger sig så hurtigt i galaksehobe, at de faktisk burde glide fra hinanden. Han postulerede derfor tilstedeværelsen af ​​usynligt stof, som på grund af dens masse, udøver tilstrækkelig tyngdekraft til at holde galakser på deres observerede baner. I 1970'erne, hans amerikanske kollega Vera Rubin opdagede et lignende fænomen i spiralgalakser som Mælkevejen - de roterer så hurtigt, at centrifugalkraften burde rive dem fra hinanden, hvis kun synligt stof var til stede.

I dag, de fleste fysikere er overbeviste om, at mørkt stof udgør omkring 80 procent af massen i universet. Da det ikke interagerer med lys, det er usynligt for teleskoper. Endnu, hvis man antager, at dens eksistens passer perfekt til en række andre observationer - såsom fordelingen af ​​baggrundsstråling, eftergløden fra Big Bang. Mørkt stof giver også en god forklaring på arrangementet og dannelseshastigheden af ​​galakser i universet. Imidlertid, på trods af adskillige eksperimentelle bestræbelser, der er intet direkte bevis for, at mørkt stof eksisterer. Dette førte astronomer til den hypotese, at selve tyngdekraften kunne opføre sig anderledes end tidligere antaget. Ifølge teorien kaldet modificeret Newtonsk dynamik (MOND), tiltrækningen mellem to masser adlyder kun Newtons love indtil et vist punkt. Ved meget små accelerationer, som dem, der er fremherskende i galakser, tyngdekraften bliver betydeligt stærkere. Derfor, galakser rives ikke fra hinanden på grund af deres rotationshastighed, og MOND-teorien kan undvære mørkt stof.

Den nye undersøgelse åbner mulighed for, at astronomer kan teste disse to hypoteser i et hidtil uset regime.