Satellitgalakser i Mælkevejen hjælper med at teste teori om mørkt stof

Et forskerhold ledet af fysikere ved University of California, Riverside, rapporter små satellitgalakser i Mælkevejen kan bruges til at teste grundlæggende egenskaber ved "mørkt stof" - ikke -let materiale, der menes at udgøre 85% af stoffet i universet.

Ved hjælp af sofistikerede simuleringer, forskerne viser en teori kaldet selvinteragerende mørkt stof, eller SIDM, kan overbevisende forklare forskellige distributioner af mørkt stof i Draco og Fornax, to af Mælkevejens mere end 50 opdagede satellitgalakser.

Den herskende teori om mørkt stof, kaldet Cold Dark Matter, eller CDM, forklarer meget af universet, herunder hvordan strukturer opstår i det. Men en mangeårig udfordring for CDM har været at forklare de forskellige mørke stoffordelinger i galakser.

Forskerne, ledet af UC Riversides Hai-Bo Yu og Laura V. Sales, studerede udviklingen af ​​SIDM "subhalos" i Mælkevejen "tidevandsfelt" - den gradient i tyngdefeltet i Mælkevejen, som en satellitgalakse føler i form af en tidevandsstyrke. Subhalos er klumper af mørkt stof, der er vært for satellitgalakser.

"Vi fandt ud af, at SIDM kan producere forskellige distributioner af mørkt stof i glorierne i Draco og Fornax, i overensstemmelse med observationer, "sagde Yu, en lektor i fysik og astronomi og en teoretisk fysiker med ekspertise i partikelegenskaber ved mørkt stof. "I SIDM, interaktionen mellem subhalos og Mælkevejens tidevand fører til mere forskelligartede fordelinger af mørkt stof i subhalos indre områder, sammenlignet med deres CDM -kolleger. "

Draco og Fornax har modsatte ekstremer i deres indre mørke stofindhold. Draco har den højeste mørke stof tæthed blandt de ni lyse Mælkevejen satellit galakser; Fornax har den laveste. Ved hjælp af avancerede astronomiske målinger, astrofysikere rekonstruerede for nylig deres banebaner i Mælkevejens tidevandsfelt.

"Vores udfordring var at forstå oprindelsen til Draco og Fornax's forskellige fordelinger af mørkt stof i lyset af disse nyligt målte banebaner, "Yu sagde." Vi fandt ud af, at SIDM kan give en forklaring efter at have taget både tidevandsvirkninger og selvinteraktioner med mørkt stof. "

Undersøgelsesresultater vises i Fysisk gennemgangsbreve .

Mørkt stofs natur er stort set ukendt. I modsætning til normalt stof, det absorberer ikke, afspejle, eller udsender lys, gør det svært at opdage. Identifikation af mørket stofs natur er en central opgave i partikelfysik og astrofysik.

I CDM, partikler af mørkt stof antages at være kollisionsfrie, og hver galakse sidder i en glorie af mørkt stof, der danner tyngdekraftstilladelsen, der holder den sammen. I SIDM, mørkt stof foreslås at interagere selv gennem en ny mørk kraft. Det antages, at partikler i mørkt stof kolliderer stærkt med hinanden i den indre glorie, tæt på galaksens centrum-en proces kaldet mørkt stof selvinteraktion.

"Vores arbejde viser, at satellitgalakser i Mælkevejen kan levere vigtige tests af forskellige teorier om mørkt stof, "sagde salg, en adjunkt i fysik og astronomi og en astrofysiker med ekspertise i numeriske simuleringer af galaksedannelse. "Vi viser samspillet mellem mørke stofs selvinteraktioner og tidevandsinteraktioner kan producere nye signaturer i SIDM, som ikke forventes i den herskende CDM-teori."

I deres arbejde, forskerne brugte hovedsageligt numeriske simuleringer, kaldet "N-body simuleringer, "og opnåede værdifuld intuition gennem analytisk modellering, inden de kørte deres simuleringer.

"Vores simuleringer afslører en ny dynamik, når en SIDM -subhalo udvikler sig i tidevandsfeltet, "sagde Omid Sameie, en tidligere UCR -kandidatstuderende, der arbejdede med Yu og Sales og nu er postdoktor ved University of Texas i Austin, der arbejder med numeriske simuleringer af galaksedannelse. "Man troede, at observationer af Draco var uforenelige med SIDM -forudsigelser. Men vi fandt, at en subhalo i SIDM kan producere en høj densitet i mørkt stof for at forklare Draco."

Salg forklarede, at SIDM forudsiger et unikt fænomen, der hedder "kernekollaps". Under visse omstændigheder, den indre del af glorie falder sammen under påvirkning af tyngdekraften og producerer en høj densitet. Dette er i modstrid med den sædvanlige forventning om, at selvinteraktioner i mørkt stof fører til en halogen med lav densitet. Salg sagde, at teamets simuleringer identificerer betingelser for kernekollaps i subhalos.

"For at forklare Dracos høje mørke stoftæthed, dens oprindelige halokoncentration skal være høj, "sagde hun." Mere mørkt stofmasse skal fordeles i den indre glorie. Selvom dette er sandt for både CDM og SIDM, for SIDM kan kernekollaps-fænomenet kun forekomme, hvis koncentrationen er høj, så sammenbrudstiden er mindre end universets alder. På den anden side, Fornax har en lavkoncentreret subhalo, og dens densitet forbliver derfor lav. "

Forskerne understregede, at deres nuværende arbejde hovedsageligt fokuserer på SIDM og foretager ikke en kritisk vurdering af, hvor godt CDM kan forklare både Draco og Fornax.

Efter at teamet havde brugt numeriske simuleringer til korrekt at tage hensyn til det dynamiske samspil mellem selvinteraktioner i mørkt stof og tidevandsinteraktioner, forskerne observerede et slående resultat.

"Det centrale mørke stof i en SIDM -subhalo kan være stigende, modsat sædvanlige forventninger, "Sameie sagde." Det er vigtigt, vores simuleringer identificerer betingelser for, at dette fænomen kan forekomme i SIDM, og vi viser, at det kan forklare observationer af Draco. "

Forskergruppen planlægger at udvide undersøgelsen til at omfatte andre satellitgalakser, herunder ultrafaint galakser.