Ciemna materia, z której według teorii w jednej czwartej składa się Wszechświat, nie jest wcale jednolitą kosmiczną mgłą. Astrofizycy z University of California w Berkeley twierdzą, że tworzy ona gęste skupiska, które kotłują się we Wszechświecie jak pyłki kurzu w snopie światła.

W artykule opublikowanym w Phisical Review D, profesor Chung-Pei Ma z UC Berkeley oraz Edmund Bertschinger z Massachusetts Institute of Technology (MIT) dowodzą, że ruch skupisk ciemnej materii można modelować podobnie do ruchów Browna pyłków lub kurzu w powietrzu.

Ciemna materia, z której według teorii w jednej czwartej składa się Wszechświat, nie jest wcale jednolitą kosmiczną mgłą. Astrofizycy z University of California w Berkeley twierdzą, że tworzy ona gęste skupiska, które kotłują się we Wszechświecie jak pyłki kurzu w snopie światła.

Odkrycie to daje naukowcom nową możliwość badania ewolucji świata cieni złożonego ciemnej materii i powiązania go z obserwowalnym Wszechświatem.

Ciemna materia jest problemem nurtującym astronomów od dziesięcioleci. Gwiazdy w galaktykach i galaktyki w gromadach poruszają się w sposób, który wskazuje, że jest więcej materii niż widzimy. Ta niewidoczna materia zdaje się mieć postać sferycznego halo rozciągającego się prawdopodobnie 10 razy dalej niż widoczne halo wokół galaktyk. Pierwsze przypuszczenia mówiły, że niewidoczną materię tworzyć ciemne wypalone gwiazdy lub ciężkie neutrina nie potwierdziły się i obecnie najpopularniejsze teorie głoszą, że kandydatami na ciemną materię są egzotyczne cząstki, zwane neutralinami lub aksionami lub inne supersymetryczne cząstki. Ponieważ oddziałują one z widoczną materią głównie grawitacyjnie, a nie za pomocą fal elektromagnetycznych, nie emitują światła.

„Widzimy zaledwie połowę wszystkich cząstek” – mówi Ma – „Są zbyt ciężkie, żeby można je było wyprodukować w akceleratorach, więc jest to połowa świata, o której nie wiemy„.

Ten obraz Wszechświata znacznie pogorszył się kilka lat temu, kiedy okazało się, że forma tak zwanej ciemnej energii okazuje się być jeszcze bardziej popularna. Obecnie szacuje się, że 69 procent Wszechświata stanowi ciemna energia, 27 procent kosmiczna ciemna materia, 3 procent niewidoczne gwiazdy a zaledwie 1 procent to co widzimy.

W oparciu o modele komputerowe, które pokazują, jak ciemna materia powinna się poruszać pod wpływem grawitacji, Ma stwierdza, że ciemna materia nie jest jednolitą mgłą otaczającą gromady galaktyk. Ciemna materia formuje mniejsze skupiska, które powierzchownie wyglądają jak galaktyki i gromady kuliste, które znamy. Ciemna materia wiedzie bogate dynamiczne życie niezależne od widzialnej materii.

„Promieniowanie mikrofalowe tła ukazuje początkowe efekty skupiania się ciemnej materii, a skupiska te urosły pod wpływem grawitacji” – mówi Ma – „Ale każde z takich skupisk, halo wokół gromad galaktyk wydawało się być gładkie. Byliśmy zaintrygowani, gdy na symulacjach wysokiej rozdzielczości okazało się, że skupiska nie są jednak gładkie, ale mają powikłaną podstrukturę. Świat ciemnej materii wiedzie swoje własne życie„.

Ma wykonała symulacje wraz ze studentem z UC Berkeley Michaelem Boylan-Kolchinem. Kilku innym grupom naukowców również udało się uzyskać podobne rezultaty dotyczące skupiania się materii.

Świat ciemnej materii stanowi szablon dla widocznego świata. Ciemna materia występuje w około 25 razy większych ilościach niż widzialne materia, więc jeśli widzialna materia tworzy skupiska, to tym bardziej ciemna materia powinna.

I tu właśnie skrywa się problem. Symulacje komputerowe ewolucji ciemnej materii pokazują dużo więcej skupisk ciemnej materii w rejonach gdzie widzimy skupiska widzialnej materii. Gdyby ciemna materia zachowywała się ja widzialna, skupisk powinna być porównywalna liczba.

„Nasza Galaktyka skupia około 12 galaktyk satelitarnych, a w symulacjach zaobserwowaliśmy tysiące satelitarnych skupisk ciemnej materii” – mówi Ma. – „Ciemna materia w Drodze Mlecznej to dynamiczne żyjące środowisko, w którym wokół głównego halo kotłuje się tysiące małych skupisk ciemnej materii, ciągle oddziałujących i zakłócających jedno drugie„.

Co więcej, astrofizycy modelujący ruch ciemnej materii odkryli, że jej gęstość zmienia skupia się w centrum i maleje ku brzegom według tego samego schematu nie zależnie od wielkości skupiska. Uniwersalny profil zmian gęstości wydaje się jednak być niezgodny z obserwacjami galaktyk karłowatych, które profesor Leo Blitz, również z UC Berkeley.

Ma ma nadzieje, że nowe spojrzenie na ruch ciemnej materii pozwoli rozwiązać te problemy i pogodzić teorię z obserwacjami. Na spotkaniu American Physical Society w tym roku udało jej się pokazać, że ruch ciemnej materii można modelować jak ruchy Browna, opisane w 1828 roku przez botanika Roberta Browna a wyjaśnione w 1905 roku przez Alberta Einsteina.

Ruchy Browna zostały po raz pierwszy opisane jako droga przebyta przez pyłek kwiatowy unoszący się w wodzie, popychany przez otaczające go cząstki wody. Tej samej natury ruchy wykonuje pył w powietrzu, a również według Ma skupiska ciemnej materii.

To spojrzenie „pozwala na użycie innego języka, spojrzenie z innej strony niż standardowo” i tym skuteczniejsze badania ruchu i ewolucji ciemnej materii.

Spojrzenie poprzez ruchy Browna zastosował również profesor UC Berkeley Ivan King, który modelował ruch setek tysięcy gwiazd w gromadzie, jednak teraz „po raz pierwszy rygorystycznie zastosowano tą teorię na wielką skalę kosmologiczną. Pomysł jest taki, że nie zastanawiamy się szczegółowo, gdzie znajdują się skupiska, ale raczej zastanawiamy się, jak zachowują się one statystycznie w systemie, jak się grawitacyjnie rozbiegają„.

Jak zauważa Ma, ruch Browna skupisk materii jest wyznaczony przez równanie Fokkera-Plancka, które stosuje się w modelowaniu wielu procesów stochastycznych, w tym do badania giełdy. Ma i jej współpracownicy pracują obecnie nad rozwiązaniem tego równania w przypadku ciemnej materii.

„To zaskakujące i zachwycające, że ewolucja ciemnej materii i jej skupisk podlega prostemu, liczącemu sobie 90 lat równaniu’ – podsumowuje Ma.