Astronomowie z Teksasu wyjaśnili 20-letnią zagadkę ciemnej materii

Superkomputer Lonestar znajdujące się na Uniwersytecie w Austin w Teksasie pomógł naukowcom w rozwikłaniu starej tajemnicy związanej z rozkładem ciemnej materii. Źródło: TACC/UT-Austin

Astronomowie z Uniwersytetu Teksańskiego w Austin uważają, że mogli odkryć rozwiązanie zagadki – pytania, jakie nauka stawia sobie już od 20 lat. Dotyczy ono tego, jak ciemna materia jest rozmieszczona w niewielkich galaktykach.

Okazuje się, że ten rozkład, po uśrednieniu, spełnia proste prawo związane ze spadkiem gęstości materii w funkcji odległości od centrum galaktyki – choć szczegóły tego spadku mogą się zmieniać w zależności do tego, którą dokładnie galaktykę obserwujemy. Wyniki te opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.

Ciemna materia to taka materia, która nie emituje żadnego światła, ale można ją wykryć obserwując jej grawitacyjny wpływ na inne, zbudowane ze zwykłej materii, masywne obiekty – na przykład gwiazdy. Istnieje wiele teorii na temat pochodzenia ciemnej materii – czym może ona być: czy są to niewidoczne dla nas cząstki, czy np. martwe już gwiazdy - ale nikt nie wie tego z całą pewnością. Choć substancja ta jest niezwykle tajemnicza, zrozumienie natury ciemnej materii jest dla nas bardzo istotne, ponieważ stanowi ona większą część całej materii Wszechświata. W dodatku jedynym sposobem na zrozumienie, w jaki sposób Wszechświat wyewoluował w czasie do swego obecnego, obserwowanego dziś przez nas stanu, jest wyjaśnienie roli ciemnej materii w tym procesie.

Z tego też powodu astronomowie od lat badają rozkład ciemnej materii w galaktykach i jeszcze większych obiektach – gromadach galaktyk. Galaktyki karłowate są pod tym względem szczególnie interesujące. Zawierają one zwykle do tysiąca razy więcej ciemnej materii niż tej zwykłej, świecącej. Z kolei bardziej typowe, duże galaktyki, takie jak Droga Mleczna, mają w sobie jedynie 10 razy więcej ciemnej materii w stosunku do świecącej.


W ciągu ostatnich 20 lat astronomowie – obserwatorzy na równi z teoretykami debatowali na tym, jak ciemna materia jest rozłożona w galaktykach. Obserwatorzy, za sprawą wyników badań wykonywanych przy pomocy teleskopów, twierdzili, że cała ciemna materia jest rozłożona równomiernie w danej galaktyce. Z kolei jednak teoretycy, sugerując się wynikami swoich symulacji komputerowych jeszcze z roku 1990, upierali się, że ciemna materia zmniejsza swoją gęstość jednostajnie, w miarę jak oddalamy się od jądra galaktyki. Problem ten bardzo długo pozostawał nierozwiązany.

Nowe badania z tego roku łączyły nowoczesne obserwacje z najnowszymi metodami modelowania komputerowego. Nie zakładano przy tym z góry jednego rozwiązania, a jedynie postawiono jeszcze raz to samo pytanie. Danymi obserwacyjnymi, jakie wykorzystano w projekcie, były obserwacje kilku galaktyk satelitarnych – małych galaktyk okrążających Drogę Mleczną, takich jak Carina, Draco, Fornax, Sculptor i Sextans. Dla każdej galaktyki przeprowadzono wiele symulacji, porównując różne, zakładane modele – celem jak najlepszego określenia rozkładu ciemnej materii w tych układach. Okazało się, że w pewnych galaktykach z próbki gęstość ciemnej materii spadała monotonicznie od centrum ku ich brzegom. W innych jednak galaktykach gęstość ta była stała. A w jeszcze innych przypadkach uzyskano coś na kształt sytuacji pośredniej pomiędzy dwiema powyższymi. Jednak, biorąc pod uwagę wszystkie otrzymane wyniki, można powiedzieć, że w gruncie rzeczy to teoretycy mieli rację – gęstość ciemnej materii wraz z odległością od jądra galaktyk zwykle spada.


Wyniki te powodują też pojawienie się jeszcze większej liczby pytań. Pytań o naturę ciemnej materii oraz o jej oddziaływania ze zwyczajną materią – w jaki sposób dzięki nim mogły uformować się wszystkie te galaktyki, które dziś można obserwować na niebie. Ewentualne dalsze badania w tej dziedzinie obejmować będą coraz to więcej szczegółowych, teleskopowych obserwacji tych samych galaktyk zarówno ich centrów, jak i obszarów peryferyjnych. To może pomoc nam w jeszcze lepszym zrozumieniu praw rozkładu ciemnej materii. Teoretycy z kolei postarają się zapewne wyjaśnić, czemu właściwie rozkład ten w pewnych galaktykach tak bardzo odbiega od normy.

Artykuł:
Variations in a Universal Dark Matter Profile for Dwarf Spheroidals, John R. Jardel and Karl Gebhardt,
ApJ 775 L3

Źródło: Elżbieta Kuligowska | Źródło: astronomy.com

Liczba odsłon: 1359