Zanim powstały gwiazdy

Hala ciemnej materii ciężkie jak nasza Ziemia i wielkie jak nasz Układ Słoneczny były pierwszymi strukturami, które powstały we Wszechświecie - tak wynika z nowych, opublikowanych niedawno w Nature obliczeń naukowców z Uniwersytetu w Zurychu. Również nasza Galaktyka Drogi Mlecznej zawiera biliardy takich struktur. Jedno halo złożone z ciemnej materii przechodzi przez naszą Ziemię co kilka tysięcy lat pozostawiając jasny ogon promieni gamma, który może być obserwowany. Codziennie niezliczone i nieobserwowalne cząsteczki ciemnej materii spadają na Ziemie przeszywając nasze ciała.

Wynik symulacji komputerowej przedstawia pierwsze struktury ciemnej materii, które uformowały się we wczesnym Wszechświecie. Niebieski obszar obejmuje 10000 lat świetlnych, jego pierwszy powiększony fragment przedstawiony na czerwono zajmuje 100 lat świetlnych, kolejne powiększenie pokazuje pojedyncze halo ciemnej materii o rozmiarze 0,1 roku świetlnego (taki rozmiar osiąga obłok Oorta, z którego powstał Układ Słoneczny). Jaśniejsze kolory oznaczają większą gęstość materii.

Pierwotne hala ciemnej materii stanowiły rodzaj grawitacyjnego kleju, który przyciągał i 'sklejał' zwyczajną materię. Po latach utworzone w ten sposób skupiska zwyczajnej, dobrze nam znanej barionowej materii utworzyły świecące gwiazdy i galaktyki. Te pierwotne hala ciemnej materii zaczęły powstawać zaledwie 20 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Z różnych pomiarów i wyliczeń wynika, iż ciemna materia stanowi ponad 80 procent masy całego Wszechświata, choć jej natura pozostaje nadal zagadką. Jest inna niż natura atomów, które nas otaczają, a jej obecność możemy odkryć jedynie pośrednio, obserwując jak siłą grawitacji wpływa na tę normalną, barionową materię.

Część naukowców uważa, że neutralino jest cząstką, z której składa się zimna ciemna materia, czyli materia, której składniki poruszają się wolno (mała energia kinetyczna oznacza niską temperaturę cząsteczki). Neutralino miało powstać w czasie Wielkiego Wybuchu. Jak dotąd nikt go nie zaobserwował. Według teorii neutralino ma być cząstką "supersymetryczną" ratującą niezgodności w standardowym modelu cząstek elementarnych. Tej właśnie cząstki użyli naukowcy do komputerowych symulacji, które pokazać miały przebieg tworzenia się pierwotnych hal ciemnej materii. Obliczenia zajęły wiele miesięcy pracy na nowym superkomputerze zBox zaprojektowanym i zbudowanym na Uniwersytecie w Zurychu. zBox, wykorzystując moc 300 procesorów typu Athlon, obliczył jak neutralina rozwijały się w czasie.

Galaktyki i gwiazdy zaczęły tworzyć się około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Te złożone struktury wzięły początek z bardzo niewielkich nierówności, które istniały w niemal jednolicie rozłożonej materii. Z pomocą przyciągającej siły grawitacji obszary o wyższej gęstości materii były w stanie przyciągnąć otaczającą materie, obszary o niskiej gęstości traciły ją. Uważa się, że do wzrostu gęstości zwyczajnej materii przyczyniły się hala ciemnej materii utworzone zaledwie 20 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Dziś wiek Wszechświata szacowany jest na 13,7 miliardów lat.

Komputer zBox. Symulacje neutralinowych hal ciemnej materii zajęły mu 6 miesięcy. Uniwersytet w Zurychu.

Przez ostatnie 20 lat uważano, że neutralina mogły formować masywne ciemne hala. Z ostatnich obliczeń wykonanych w Zurychu wypływają trzy nowe wnioski: 1) jako pierwsze uformowały się hala o masie rzędu Ziemi, 2) struktury te miały bardzo gęste jądra, dzięki czemu wiele z nich powinno 'dożyć' naszych czasów, 3) te miniaturowe hala ciemnej materii poruszają się przez galaktyki, w skład których wchodzą, i oddziaływają ze zwykłą materią. Możliwe jest nawet, że hala takie mogą perturbować obłok Oorta znajdujący się daleko za orbitą Plutona i wpływać grawitacyjnie na zwykłą materię wrzucając jego szczątki do Układu Słonecznego.

Wydaje się, że można by pokusić się o detekcje tych neutralinowych hal, choć to trudne zadanie. Struktury te powinny emitować promieniowanie gamma, czyli najbardziej energetyczne fotony, na skutek zderzeń neutralin i ich samo-anihilacji. Przy odrobinie szczęścia powinniśmy zaobserwować to promieniowanie.

Teleskop MAGIC o średnicy 17 metrów znajduje się w La Palma na Wyspach Kanaryjskich w Hiszpanii.
Największa szansa na detekcję neutralin tkwi w centrach galaktyk, gdzie gęstość ciemnej materii powinna być największa lub w centrach tych migrujących neutralinowych hal o masie rzędu naszej Ziemi. Gęsty obszar oznacza większe prawdopodobieństwo zderzeń neutralin, a więc emisji fotonów gamma.

Jeśli promieniowanie z hal rzeczywiście istnieje, powinien je wykryć satelita GLAST, którego start planowany jest na 2007 rok. Naziemne obserwatoria promieniowania gamma, takie jak VERITAS (układ czterech 12-metrowych teleskopów, Arizona, USA) czy też MAGIC (17-metrowy teleskop, La Palma, Wyspy Kanaryjskie, Hiszpania), również powinny być w stanie wykryć fotony gamma pochodzące z oddziaływania neutralin. Miejmy nadzieje, że coraz dokładniejsze i czulsze techniki detekcji zweryfikują istnienie wciąż kontrowersyjnej ciemnej materii.

25 lutego 2005
Źródło | Karolina Zawada

Liczba odsłon: 1298