Sådan kan et fuzzy univers have set ud

Mørkt stof var sandsynligvis startingrediensen til brygning af de allerførste galakser i universet. Kort efter Big Bang, partikler af mørkt stof ville have klumpet sig sammen i tyngdekraftens "glorier, "trækker omgivende gas ind i deres kerner, som over tid afkøledes og kondenserede til de første galakser.

Selvom mørkt stof betragtes som rygraden i universets struktur, videnskabsfolk ved meget lidt om dets natur, da partiklerne hidtil har unddraget sig påvisning.

Nu er forskere ved MIT, Princeton University, og Cambridge University har fundet ud af, at det tidlige univers, og de allerførste galakser, ville have set meget anderledes ud afhængigt af arten af ​​mørkt stof. For første gang, holdet har simuleret, hvordan en tidlig galaksedannelse ville have set ud, hvis mørkt stof var "uklart, "frem for koldt eller varmt.

I det mest accepterede scenario, mørkt stof er koldt, består af langsomt bevægelige partikler, der, bortset fra tyngdekraftseffekter, ikke har nogen interaktion med almindeligt stof. Varmt mørkt stof menes at være en lidt lettere og hurtigere version af koldt mørkt stof. Og fuzzy mørkt stof, et relativt nyt koncept, er noget helt andet, bestående af ultralette partikler, hver cirka 1 oktillionth (10 ^-27 ) massen af ​​en elektron (en kold mørk stofpartikel er langt tungere - cirka 105 gange mere massiv end en elektron).

I deres simuleringer, forskerne fandt ud af, at hvis mørkt stof er koldt, så ville galakser i det tidlige univers have dannet sig i næsten sfæriske glorier. Men hvis det mørke stof er uklart eller varmt, det tidlige univers ville have set meget anderledes ud, med galakser, der først dannes i forlængede, halelignende filamenter. I et fuzzy univers, disse filamenter ville have vist sig striberede, som stjernelyste strenge på en harpe.

Efterhånden som nye teleskoper kommer online, med evnen til at se længere tilbage i det tidlige univers, forskere kan måske udlede, fra mønsteret for galaksedannelse, om det er mørkt stofs natur, som i dag udgør næsten 85 procent af sagen i universet, er uklar i modsætning til kold eller varm.

"De første galakser i det tidlige univers kan belyse, hvilken type mørkt stof vi har i dag, "siger Mark Vogelsberger, lektor i fysik i MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research. "Enten ser vi dette filamentmønster, og fuzzy mørkt stof er sandsynligt, eller det gør vi ikke, og vi kan udelukke den model. Vi har nu en plan for, hvordan man gør dette. "

Vogelsberger er medforfatter til et papir, der optræder i Fysisk gennemgangsbreve , sammen med papirets hovedforfatter, Philip Mocz fra Princeton University, og Anastasia Fialkov fra Cambridge University og tidligere University of Sussex.

Uklare bølger

Selvom mørkt stof endnu ikke er påvist direkte, hypotesen, der beskriver mørkt stof som kulde, har vist sig at være vellykket til at beskrive det observerbare universs store struktur. Som resultat, modeller for galaksedannelse er baseret på den antagelse, at mørkt stof er koldt.

"Problemet er, der er nogle uoverensstemmelser mellem observationer og forudsigelser af koldt mørkt stof, "Vogelsberger påpeger." F.eks. hvis man ser på meget små galakser, den udledte fordeling af mørkt stof inden for disse galakser stemmer ikke helt overens med, hvad teoretiske modeller forudsiger. Så der er spændinger der. "

Gå ind, derefter, alternative teorier om mørkt stof, herunder varm, og uklar, som forskere har foreslået i de seneste år.

"Det mørke stofs natur er stadig et mysterium, "Fialkov siger." Uklar mørkt stof er motiveret af grundlæggende fysik, for eksempel, strengteori, og dermed er en interessant mørk stof kandidat. Kosmiske strukturer har nøglen til at validere eller udelukke sådanne modeller af mørkt stof. "

Uklar mørkt stof består af partikler, der er så lette, at de virker i en kvante, bølgelignende mode, snarere end som individuelle partikler. Denne kvante, uklar natur, Mocz siger, kunne have produceret tidlige galakser, der ser helt anderledes ud end standardmodeller forudsiger for koldt mørkt stof.

"Selvom disse sorte scenarier med mørkt stof i det sene univers kan forudsige lignende former for galakser, de første galakser ville være påfaldende forskellige, som vil give os en anelse om, hvad mørkt stof er, "Siger Mocz.

For at se, hvor anderledes et koldt og et fuzzy tidligt univers kunne være, forskerne simulerede en lille, kubikrum i det tidlige univers, måler omkring 3 millioner lysår på tværs, og løb den frem i tide for at se, hvordan galakser ville dannes i betragtning af et af de tre scenarier med mørkt stof:koldt, varm, og fuzzy.

Teamet begyndte hver simulering med at antage en vis fordeling af mørkt stof, som forskere har en ide om, baseret på målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund - "levnestråling", der blev udsendt af, og blev opdaget kun 400, 000 år efter, det store brag.

"Mørkt stof har ikke en konstant tæthed, selv i disse tidlige tider, "Vogelsberger siger." Der er små forstyrrelser oven på et felt med konstant tæthed. "

Forskerne var i stand til at bruge eksisterende algoritmer til at simulere dannelse af galakser under scenarier med koldt og varmt mørkt stof. Men for at simulere fuzzy mørkt stof, med sin kvante karakter, de havde brug for en ny tilgang.

Et kort over harpestrenge

Forskerne ændrede deres simulering af koldt mørkt stof, gør det muligt at løse to ekstra ligninger for at simulere galaksedannelse i et fuzzy mørkt stofunivers. Den første, Schrödingers ligning, beskriver, hvordan en kvantepartikel fungerer som en bølge, mens den anden, Poissons ligning, beskriver, hvordan den bølge genererer et tæthedsfelt, eller distribution af mørkt stof, og hvordan denne fordeling fører til tyngdekraften - den kraft, der til sidst trækker i stof for at danne galakser. De koblede derefter denne simulering til en model, der beskriver gasens adfærd i universet, og den måde, den kondenserer til galakser som reaktion på tyngdekraftseffekter.

I alle tre scenarier, galakser dannet, hvor der var overdensiteter, eller store koncentrationer af gravitationsmæssigt kollapset mørkt stof. Mønsteret for dette mørke stof, imidlertid, var anderledes, afhængigt af om det var koldt, varm, eller fuzzy.

I et scenario med koldt mørkt stof, galakser dannet i sfæriske glorier, samt mindre subhalos. Varmt mørkt stof producerede første galakser i halelignende filamenter, og ingen subhalos. Dette kan skyldes, at varmt mørkt stof er lysere, hurtigere natur, gør partikler mindre tilbøjelige til at holde fast i mindre, subhalo klumper.

Ligner varmt mørkt stof, fuzzy mørkt stof dannede stjerner langs filamenter. Men så overtog kvantebølgeeffekterne i udformningen af ​​galakserne, som dannede mere striberede filamenter, som strenge på en usynlig harpe. Vogelsberger siger, at dette stribede mønster skyldes interferens, en effekt, der opstår, når to bølger overlapper hinanden. Når dette sker, for eksempel i lysbølger, de punkter, hvor kamene og trugene i hver bølge flugter, danner mørkere pletter, skabe et skiftevis mønster af lyse og mørke områder.

I tilfælde af uklart mørkt stof, i stedet for lyse og mørke punkter, det genererer et skiftevis mønster af over-tætte og under-tætte koncentrationer af mørkt stof.

"Du ville få meget tyngdekraft ved disse overdensiteter, og gassen ville følge, og på et tidspunkt ville danne galakser langs disse overdensiteter, og ikke underdensiteterne, "Vogelsberger forklarer." Dette billede ville blive replikeret i det tidlige univers. "

Teamet udvikler mere detaljerede forudsigelser af, hvordan tidlige galakser kan have set ud i et univers domineret af fuzzy dark matter. Deres mål er at give et kort til kommende teleskoper, såsom James Webb Space Telescope, der kan være i stand til at se langt nok tilbage i tiden til at få øje på de tidligste galakser. Hvis de ser filamentære galakser som dem, der simuleres af Mocz, Fialkov, Vogelsberger, og deres kolleger, det kunne være de første tegn på, at mørkt stofs natur er uklar.

"Det er denne observationstest, vi kan levere til formålet med mørkt stof, baseret på observationer af det tidlige univers, som bliver mulig i de næste par år, ”Siger Vogelsberger.