Fysikere giver forklaring på forskellige galakserotationer

Identiske tvillinger ligner hinanden på mange måder, men de har forskellige oplevelser, venner, og livsstil.

Dette koncept udspilles på en kosmologisk skala af galakser. To galakser, der ved første øjekast ser ud til at være meget ens og effektivt identiske, kan have indre områder roterende med meget forskellige hastigheder - den galaktiske analog af tvillinger med forskellig livsstil.

Et team af fysikere, ledet af Hai-Bo Yu fra University of California, Riverside, har fundet en enkel og levedygtig forklaring på denne mangfoldighed.

Hver galakse sidder i en glorie af mørkt stof, der danner tyngdekraftstilladelsen, der holder den sammen. Fordelingen af ​​mørkt stof i denne glorie kan udledes af stjerners bevægelse og gaspartikler i galaksen.

Yu og kolleger rapporterer ind Fysisk gennemgangsbreve at forskellige galaktisk rotationskurver, en graf over rotationshastigheder i forskellige afstande fra midten, kan naturligt forklares, hvis partikler af mørkt stof antages at kollidere kraftigt med hinanden i den indre glorie, tæt på galaksens centrum - en proces kaldet mørkt stof selvinteraktion.

"I den fremherskende teori om mørkt stof, kaldet Cold Dark Matter eller CDM, partikler af mørkt stof antages at være kollisionsfrie, bortset fra tyngdekraften, "sagde Yu, en adjunkt i teoretisk partikelfysik og astrofysik, der ledede forskningen. "Vi påberåber os en anden teori, den selvinteragerende mørke materiemodel eller SIDM, at vise, at selvinteraktioner i mørkt stof termiserer den indre glorie, som binder almindeligt stof og mørkt stof fordelinger sammen, så de opfører sig som en kollektiv enhed. Den selvinteragerende glorie i mørkt stof bliver derefter fleksibel nok til at rumme de observerede forskellige rotationskurver. "

Yu forklarede, at de mørke stofkollisioner finder sted i den tætte indre glorie, hvor den lysende galakse er placeret. Når partiklerne kolliderer, de udveksler energi og termaliserer. For lavlysende galakser, termaliseringsprocessen opvarmer de indre partikler af mørkt stof og skubber dem ud af det centrale område, reducere tætheden, analog med en popcornmaskine, hvor kerner rammer hinanden, mens de popper, får dem til at flyve op fra bunden af ​​maskinen. For højlysende galakser som f.eks. Mælkevejen, termalisering trækker partiklerne ind i den dybe potentiale i det lysende stof og øger densiteten af ​​mørkt stof. Ud over, glosernes kosmologiske forsamlingshistorie spiller også en rolle i at generere den observerede mangfoldighed.

"Vores arbejde viser, at mørkt stof kan have stærke selvinteraktioner, en radikal afvigelse fra den herskende teori, "Sagde Yu." Det forklarer godt den observerede mangfoldighed af galaktiske roterende kurver, samtidig med at det er i overensstemmelse med andre kosmologiske observationer."

Mørkt stof udgør omkring 85 procent af stof i universet, men dens natur er stort set ukendt på trods af dens umiskendelige tyngdekraftspor på astronomiske og kosmologiske observationer. Den konventionelle måde at studere mørkt stof på er at antage, at det har nogle yderligere, nongravitational interaktion med synligt stof, der kan studeres i laboratoriet. Fysikere ved det ikke, imidlertid, hvis en sådan interaktion mellem mørkt og synligt stof overhovedet eksisterer.

I løbet af det sidste årti, Yu har været banebrydende inden for en ny forskningslinje baseret på følgende forudsætning:Afsæt, om mørkt stof interagerer med synligt stof, hvad sker der, hvis mørkt stof interagerer med sig selv gennem en ny mørk kraft?

Yu anførte, at den nye mørke kraft ville påvirke fordelingen af ​​mørkt stof i hver galakses halo. Han indså, at der faktisk er en uoverensstemmelse mellem CDM og astronomiske observationer, der kunne løses, hvis mørkt stof er selvinteragerende.

"Kompatibiliteten af ​​denne hypotese med observationer er et stort fremskridt på området, "sagde Flip Tanedo, en adjunkt i teoretisk partikelfysik ved UC Riverside, som ikke var involveret i forskningen. "SIDM -paradigmet er en bro mellem fundamental partikelfysik og observationsastronomi. Konsistensen med observationer er en stor antydning af, at dette forslag har en chance for at være korrekt og lægger grundlaget for fremtidig observation, eksperimentel, numerisk, og teoretisk arbejde. På denne måde, det baner vejen for ny tværfaglig forskning."

SIDM blev først foreslået i 2000 af et par fremtrædende astrofysikere. Det oplevede en genoplivning i partikelfysik -samfundet omkring 2009, hjulpet delvist af nøglearbejde fra Yu og samarbejdspartnere.

"Dette er en særlig tid for denne type forskning, fordi numeriske simuleringer af galakser endelig nærmer sig en præcision, hvor de kan lave konkrete forudsigelser for at sammenligne observationsforudsigelserne fra de selvinteragerende kontra kolde mørke stofscenarier, " sagde Tanedo. "På denne måde, Hai-Bo er arkitekten for moderne selvinteragerende mørkt stof, og hvordan det fusionerer flere forskellige felter:teoretisk højenergifysik, eksperimentel højenergifysik, observationsastronomi, numeriske simuleringer af astrofysik, og det tidlige universs kosmologi og dannelse af galakser. "

Forskningspapiret er inkluderet af Fysisk gennemgangsbreve som et "Editor's Suggestion" og også med i APS Physics.