ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดของนาซ่าช่วยให้นักวิจัยจำลองรัศมีของสสารมืดที่ล้อมรอบทางช้างเผือก การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าสสารมืดมารวมตัวกันเป็น“ subhalos” ในรัศมีที่ใหญ่กว่าโดยรอบทางช้างเผือกได้อย่างไร นี่เป็นปริศนาเล็กน้อยเนื่องจากสสารมืดไม่ตรงกับกาแลคซีดาวเทียมที่ล้อมรอบเรา
นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานตาครูซได้ใช้ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดของนาซ่าเพื่อจำลองสถานการณ์ที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบันของการก่อตัวและวิวัฒนาการของฮาโลสสารมืดที่ล้อมรอบกาแลคซีทางช้างเผือก ผลลัพธ์ของพวกเขาแสดงโครงสร้างพื้นฐานภายในรัศมีในรายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อนซึ่งเป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการทำความเข้าใจประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของกาแลคซีของเรา
กาแลคซีทุกแห่งรายล้อมไปด้วยสสารมืดลึกลับที่สามารถตรวจจับทางอ้อมได้โดยการสังเกตผลกระทบความโน้มถ่วง รัศมีที่มองไม่เห็นนั้นใหญ่กว่าและเป็นทรงกลมมากกว่ากาแลคซีส่องสว่างที่ใจกลางของมัน การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่ารัศมีนั้นเป็นก้อนประหลาดอย่างน่าประหลาดใจโดยมีความเข้มข้นของสสารมืดค่อนข้างหนาแน่นใน 'subhalos' ที่มีความแรงโน้มถ่วงภายในรัศมี การศึกษาใหม่ซึ่งได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ในวารสาร Astrophysical Journal แสดงให้เห็นโครงสร้างย่อยที่กว้างขวางกว่าการศึกษาก่อนหน้านี้
“ เราพบ subhalos เกือบ 10,000 ลำดับความสำคัญมากกว่าหนึ่งในการจำลองที่ผ่านมาและ subhalos บางส่วนของเราแสดง 'sububstructure' สิ่งนี้คาดหวังในทางทฤษฎี แต่เราได้แสดงเป็นครั้งแรกในการจำลองเชิงตัวเลข "กล่าว Piero Madau ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ UCSC และผู้เขียนร่วมของบทความ
Jürg Diemand เพื่อนหลังปริญญาเอกของฮับเบิลที่ UCSC และผู้เขียนบทความคนแรกกล่าวว่าผลการสำรวจครั้งนี้รุนแรงยิ่งขึ้นในสิ่งที่เรียกว่า "ปัญหาดาวเทียมหายไป" ปัญหาคือความหนาแน่นของสสารในกาแลคซีของเรา - ในรูปแบบของกาแลคซีดาวเทียมแคระ - ไม่ตรงกับสสารของสสารมืดที่เห็นในการจำลอง
“ นักดาราศาสตร์ค้นพบกาแลคซีแคระใหม่ แต่ยังคงมีเพียงประมาณ 15 ดวงเท่านั้นเมื่อเทียบกับสสารย่อยสลายสสารมืดประมาณ 120 ดวงที่มีขนาดใกล้เคียงกันในการจำลองของเรา แล้วอันไหนที่เป็นโฮสต์ของกาแลคซีแคระและทำไม?” Diemand กล่าว
แบบจำลองเชิงทฤษฎีที่การก่อตัวดาวฤกษ์ถูก จำกัด เฉพาะรัศมีมืดบางประเภทซึ่งมีขนาดใหญ่เพียงพอหรือก่อตัวเร็ว แต่อาจช่วยแก้ไขความคลาดเคลื่อนได้ Madau กล่าว
แม้ว่าธรรมชาติของสสารมืดจะยังคงเป็นปริศนา แต่ดูเหมือนว่าจะมีสสารประมาณ 82 เปอร์เซ็นต์ของสสารในจักรวาล เป็นผลให้วิวัฒนาการของโครงสร้างในจักรวาลได้รับแรงผลักดันจากปฏิกิริยาความโน้มถ่วงของสสารมืด สสารที่เป็น“ ปกติ” ที่ก่อตัวเป็นก๊าซและดวงดาวได้ตกลงไปใน“ หลุมความโน้มถ่วง” ที่เกิดจากกลุ่มสสารมืดทำให้เกิดกาแลคซีในใจกลางของสสารมืด
ในขั้นต้นแรงโน้มถ่วงกระทำกับความหนาแน่นของความผันผวนเล็กน้อยซึ่งเกิดขึ้นหลังจากบิกแบงเพื่อดึงสสารกลุ่มแรกของสสารมืด สิ่งเหล่านี้ขยายตัวเป็นกลุ่มใหญ่ขึ้นและใหญ่ขึ้นผ่านการรวมลำดับชั้นของต้นกำเนิดขนาดเล็ก นี่เป็นกระบวนการที่นักวิจัย UCSC จำลองขึ้นในซูเปอร์คอมพิวเตอร์โคลัมเบียที่ศูนย์วิจัย NASA Ames ซึ่งเป็นหนึ่งในคอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลก การจำลองใช้เวลาสองสามเดือนจึงจะเสร็จสมบูรณ์โดยใช้ตัวประมวลผล 300 ถึง 400 ตัวต่อครั้งเป็นเวลา 320,000 ชั่วโมง“ ซีพียู” Diemand กล่าว
Coauthor Michael Kuhlen ผู้เริ่มทำงานในโครงการเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่ UCSC และขณะนี้อยู่ที่สถาบันการศึกษาขั้นสูงในพรินซ์ตันกล่าวว่านักวิจัยตั้งเงื่อนไขเริ่มต้นตามผลลัพธ์ล่าสุดจาก Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) การทดลอง เผยแพร่เมื่อเดือนมีนาคมผล WMAP ใหม่ให้ภาพที่ละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมีมาในจักรวาลของทารก
การจำลองเริ่มต้นที่ประมาณ 50 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงและคำนวณการโต้ตอบของอนุภาคสสารมืด 234 ล้านครั้งในเวลา 13.7 พันล้านปีเพื่อผลิตฮาโลในระดับเดียวกับทางช้างเผือก กระจุกภายในรัศมีนั้นเป็นเศษซากของการควบรวมที่แกนกลางของรัศมีเล็ก ๆ รอดชีวิตมาได้เมื่อถูกฝังด้วยแรงโน้มถ่วง subhalos โคจรรอบในระบบโฮสต์ขนาดใหญ่
การจำลองก่อให้เกิด subhalos ขนาดใหญ่ห้าตัว (แต่ละดวงมีมวลมากกว่า 30 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์) และตัวที่เล็กกว่านั้นภายในรัศมี 10 เปอร์เซ็นต์ของรัศมีเจ้าบ้าน ยังมีกาแลคซีแคระ (Sagittarius) เพียงหนึ่งเดียวเท่านั้นที่ทราบว่าอยู่ใกล้กับศูนย์กลางของทางช้างเผือก Diemand กล่าว
“ มีสสารมืดจำนวนมากในภูมิภาคเดียวกันซึ่งดิสก์ของทางช้างเผือกน่าจะเป็น ดังนั้นแม้ในพื้นที่ใกล้เคียงในระบบสุริยะของเราการกระจายสสารมืดอาจซับซ้อนกว่าที่เราคาดไว้” เขากล่าว
นักดาราศาสตร์อาจสามารถตรวจจับกลุ่มของสสารมืดในรัศมีทางช้างเผือกของกล้องโทรทรรศน์ทางไกลรังสีแกมม่าในอนาคต แต่เฉพาะในกรณีที่สสารมืดประกอบด้วยอนุภาคประเภทต่าง ๆ ที่จะก่อให้เกิดการปล่อยรังสีแกมม่า ผู้สมัครสสารมืดบางตัว - เช่น Neutralino, อนุภาคเชิงทฤษฎีที่ทำนายโดยทฤษฎี supersymmetry - สามารถทำลาย (นั่นคือถูกทำลายร่วมกัน) ในการชนสร้างอนุภาคใหม่และเปล่งรังสีแกมม่า
“ กล้องโทรทรรศน์แกมมาที่มีอยู่ไม่ได้ตรวจพบการทำลายล้างสสารมืด แต่การทดลองที่จะเกิดขึ้นจะมีความไวมากขึ้นดังนั้นจึงมีความหวังว่า subhalos แต่ละอันอาจสร้างลายเซ็นที่สังเกตได้” Kuhlen กล่าว
โดยเฉพาะอย่างยิ่งนักดาราศาสตร์หวังว่าจะได้ผลลัพธ์ที่น่าสนใจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศขนาดใหญ่แกมม่าเรย์ (GLAST) ซึ่งมีกำหนดเปิดตัวในปี 2550 เขากล่าว
การจำลองยังเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับนักดาราศาสตร์เชิงสังเกตการณ์ศึกษาดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดในกาแลคซีของเราด้วยการให้การเชื่อมโยงระหว่างการสำรวจในปัจจุบันและระยะก่อนหน้าของการก่อตัวกาแลคซี Diemand กล่าว
“ กาแลคซีขนาดเล็กแห่งแรกเกิดขึ้นเร็วมากประมาณ 500 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงและยังมีดาวในกาแลคซีของเราที่ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลานี้เช่นบันทึกฟอสซิลของการก่อตัวดาวต้น การจำลองของเราสามารถให้บริบทว่าดาวเก่าเหล่านั้นมาจากไหนและพวกมันลงเอยอย่างไรในกาแลคซีแคระและในวงโคจรบางวงในรัศมีของดาวฤกษ์ในปัจจุบัน” Diemand กล่าว
แหล่งที่มาเดิม: ข่าวประชาสัมพันธ์ UC Santa Cruz
