Cluster dunkler Materie könnten die Natur der dunklen Energie offenbaren

Anonim

Wissenschaftler hoffen, eines der langlebigsten Mysterien der Kosmologie zu verstehen, indem sie ihren Effekt auf die Clusterbildung von Galaxien simulieren.

Dieses Mysterium ist dunkle Energie - das Phänomen, von dem die Hypothese der Wissenschaftler ausgeht, lässt das Universum immer schneller wachsen. Niemand weiß etwas über dunkle Energie, außer dass es irgendwie so ziemlich alles auseinander blasen könnte.

Unterdessen hat dunkle Energie eine ebenso zwielichtige Cousine - dunkle Materie. Diese unsichtbare Substanz scheint sich um Galaxien zu gruppieren und sie davon abzuhalten, sich auseinander zu drehen, indem sie ihnen eine zusätzliche Anziehungskraft verleihen.

Ein solcher Clustering-Effekt konkurriert mit der beschleunigten Expansion der Dunklen Energie. Wenn man jedoch die genaue Natur dieses Wettbewerbs studiert, könnte man dunkle Energie beleuchten.

"Viele dunkle Energie-Modelle sind bereits mit aktuellen Daten ausgeschlossen", sagte Dr. Alexander Mead, ein Kosmologe an der Universität von British Columbia in Vancouver, Kanada, der an einem Projekt namens Halo-Modellierung arbeitet. "Hoffentlich können wir in Zukunft mehr ausschließen."

Gravitationslinsen

Gegenwärtig ist die einzige Möglichkeit, dunkle Materie zu beobachten, die Suche nach den Auswirkungen ihrer Anziehungskraft auf Materie und Licht. Das starke Gravitationsfeld, das es erzeugt, kann dazu führen, dass sich das Licht über große Entfernungen verzerrt und verbiegt - ein Effekt, der als Gravitationslinseneffekt bekannt ist.

Durch die Kartierung der Dunklen Materie in entfernten Teilen des Kosmos können Wissenschaftler herausfinden, wie viel Dunkle Materie sich dort anhäuft - und im Prinzip wie diese Clusterbildung durch dunkle Energie beeinflusst wird.

Die Verbindung zwischen Gravitationslinseneffekt und Clustering dunkler Materie ist jedoch nicht einfach. Um die Daten von Teleskopen zu interpretieren, müssen sich Wissenschaftler auf detaillierte kosmologische Modelle - mathematische Darstellungen komplexer Systeme - beziehen.

Dr. Mead entwickelt ein Clustering-Modell, von dem er hofft, dass es genug Genauigkeit hat, um zwischen verschiedenen Hypothesen der Dunklen Energie zu unterscheiden.

"Eine Analogie, die ich sehr mag, ist die Turbulenz. In turbulenten Strömungen kann man über Strömungen und Wirbel sprechen, was schöne Worte sind, aber die Realität, wie flüssig in einer Rohrleitung von fließend zu turbulent fließen geht, ist extrem kompliziert. "

Fünfte Kraft

Eine der exotischeren Theorien ist, dass dunkle Energie das Ergebnis einer bisher unentdeckten fünften Kraft ist, zusätzlich zu den vier bekannten Kräften der Natur - Gravitation, Elektromagnetismus und den starken und schwachen Kernkräften innerhalb von Atomen.

Eine allgemeinere Hypothese für dunkle Energie ist jedoch bekannt als die kosmologische Konstante, die von Albert Einstein als Teil seiner allgemeinen Relativitätstheorie vorgeschlagen wurde. Es wird oft angenommen, dass es ein alldurchdringendes Meer virtueller Teilchen beschreibt, die ständig im Universum auftauchen und aus ihr verschwinden.

Eine Möglichkeit, die kosmologische Konstantenhypothese auszuschließen, ist natürlich, zu beweisen, dass dunkle Energie überhaupt nicht konstant ist. Das ist das Ziel von Dr. Pier Stefano Corasaniti vom Pariser Observatorium in Frankreich, der sich in einem Projekt namens EDECS der Clusterbildung aus einer anderen Richtung nähert.

Anstatt zu versuchen, das Clustering aus Gravitationslinsen-Daten zu modellieren, beginnt er speziell mit einer dynamischen - das heißt, nicht konstanten - Hypothese dunkler Energie und versucht zu prognostizieren, wie sich dunkle Materie anhäuft, wenn dies der Fall ist.

Die Grenzen ausreizen

Es gibt im Prinzip unendliche Möglichkeiten, wie sich dunkle Energie in Raum und Zeit ändern kann, obwohl viele Theorien bereits durch existierende Beobachtungen ausgeschlossen wurden. Dr. Corasaniti konzentriert seine Simulationen auf Arten von dynamischer dunkler Energie, die an den Grenzen dieser Beobachtungsgrenzen drücken und den Weg für Tests mit zukünftigen Experimenten ebnen.

Die Simulationen, die die Entwicklung zahlreicher "N-Body" -Teilchen der Dunklen Materie verfolgen, erfordern Supercomputer, die über lange Zeiträume laufen und mehrere Petabyte (eintausend Millionen Millionen Bytes) an Daten verarbeiten.

"Wir haben unter den größten kosmologischen N-Körper-Simulationen, die jemals realisiert wurden, geführt", sagte Dr. Corasaniti.

Dr. Corasanitis Simulationen sagen voraus, dass die Entwicklung der Dunklen Energie im Laufe der Zeit die Clusterbildung der Dunklen Materie beeinflussen sollte. Dies wiederum verändert die Effizienz, mit der sich Galaxien auf eine Weise bilden, die bei konstanter Dunkler Energie nicht gegeben wäre.

Die Vorhersagen, die seine Modelle treffen, könnten mit Hilfe von zukünftigen Teleskopen wie dem Large Synoptic Survey Telescope in Chile und dem Square Kilometre Array in Australien und Südafrika sowie mit Satellitenmissionen wie Euclid (EUropean Cooperation for Lightning Detection) getestet werden) und WFIRST (Weitfeld-Infrarot-Vermessungsteleskop).

"Wenn dunkle Energie sich als ein dynamisches Phänomen herausstellt, wird dies nicht nur die Kosmologie, sondern auch unser Verständnis der fundamentalen Physik grundlegend beeinflussen", sagte Dr. Corasaniti.

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