Gigantyczna symulacja być może rozwiąże zagadkę „ciemnej materii”

Gigantyczna symulacja być może rozwiąże zagadkę „ciemnej materii”

5.11.2008

Międzynarodowy zespół astrofizyków pod kierownictwem Volkera Springela (Max-Planck-Institut für Astrophysik MPIfA) wykorzystał jedne z najpotężniejszych superkomputerów w Europie by zbadać, gdzie najnowsze orbitalne obserwatorium NASA powinno szukać śladów tajemniczej ciemnej materii wypełniającej Wszechświat. Wyniki opublikowane zostały w listopadowym numerze magazynu Nature.

 

    Te obliczenia ostatecznie pokazują nam jak wygląda rozmieszczenie ciemnej materii w rejonie Słońca, tam, gdzie mamy szansę na jej detekcję.

Prof. Simon White

Teleskop orbitalny NASA Fermi od kilku miesięcy tworzy mapę nieba wykorzystując promieniowanie gamma – formę radiacji o znacznie większych energiach od promieniowania rentgenowskiego. W ciągu najbliższych lat być może zaobserwuje poświatę pochodzącą od ciemnej materii, substancji której oddziaływania grawitacyjne zaobserwowano ponad 75 lat temu, która jednak uparcie pozostaje niewidoczna dla teleskopów choć stanowi około 85% materii we Wszechświecie. Większość kosmologów uważa, że ciemna materia zbudowana jest z nieznanego rodzaju cząstek elementarnych, których do tej pory nie udało się zaobserwować na Ziemi (choć naukowcy mają nadzieję, że Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) dostarczy dowodów ich istnienia, gdy powróci do pracy w 2009 roku). W szczególnych okolicznościach cząstki te mogą wyprodukować wystarczającą ilość promieniowania gamma, by teleskop Fermi mógł je zauważyć.

Jednak gdzie Fermi ma spoglądać, by zobaczyć sygnaturę ciemnej materii zapisaną w promieniowaniu gamma ? Zespół astrofizyków z Niemiec, Anglii, Kanady i Holandii (konsorcjum „Virgo”) wykorzystało jeden z największych europejskich superkomputerów aby wykonać symulację powstawania struktur ciemnej materii otaczających galaktyki takie jak Droga Mleczna. Takie zbudowane z ciemnej materii halo są tryliony razy cięższe od Słońca i według większości teorii stanowią podstawowe jednostki strukturalne Wszechświata.

Symulacje wykonane przez zespół Virgo pokazują jak halo Drogi Mlecznej rosło w trakcie gwałtownych zderzeń oraz łączenia się milion razy mniejszych struktur powstałych w Wielkim Wybuchu. Większość z nich została zniszczona w trakcie procesu narastania, jednak część przetrwała, a największe z nich stanowią dom dla znanych satelitów Drogi Mlecznej – Wielkiego i Małego Obłoku Magellana czy galaktyki karłowej Strzelca. Inne zagęszczenia były zbyt małe by powstały w nich jakiekolwiek gwiazdy, jednak z symulacji wynika, że mogą znajdować się w halo Galaktyki – póki co niezauważone przez żaden teleskop.

Promieniowanie gamma powstają w regionach zagęszczenia ciemnej materii gdy cząstki zderzają się i anihilują wyzwalając promieniowanie. Wielu kosmologów sugeruje, że teleskop Fermi powinien poszukiwać promieniowania gamma z satelitów Drogi Mlecznej, bowiem w ich centrach powinna występować zagęszczona ciemna materia. Jednak z symulacji przeprowadzonych przez zespół Virgo wynika, że nie jest to najlepszy rejon poszukiwań. Ich dokładne obliczenia pokazują, że najłatwiejszy do wykrycia sygnał powinien pochodzić z regionów wewnętrznych Drogi Mlecznej – pomiędzy pozycją Słońca, ale z daleko od galaktycznego jądra. Obserwacja samego jądra jest niewskazana, ponieważ w tym przypadku teleskopu Fermi nie będzie w stanie odróżnić sygnału ciemnej materii os sygnałów pochodzących z innych źródeł, takich jak pozostałości po supernowych czy obłoków molekularnych aktywnie tworzących młode gwiazdy. Miast tego zespół Virgo sugeruje obserwacje 10 – 30 stopni od jądra, gdzie według ich przewidywań ciemna materia powinna wytwarzać poświatę twardego promieniowania o charakterystycznej, rozmytej strukturze.

Jeżeli teleskop Fermi wykryje przewidywaną poświatę z gładkiego wewnętrznego halo Drogi Mlecznej wówczas być może dostrzeże promieniowanie gamma z małych (i inaczej niewidocznych) zagęszczeń ciemnej materii, które znajdują się (o ile mamy tyle szczęścia) blisko Słońca. Te zagęszczenia będą wyraźnie słabsze niż poświata głównego halo, jednak pozostają w zasięgu możliwości obserwacyjnych teleskopu. Znane satelity Galaktyki również mogą być widoczne w twardym promieniowaniu, jednak ich znaczna odległość czyni detekcję znacznie trudniejszą.

Poszukukwanie ciemnej materii dominowało badania astronomiczne przez ostatnie dekady. Obecnie istnieje szansa, że wkrótce się zakończy.

Największa z symulacji pochłonęła 3,5 miliona godzin pracy procesora. Volker Springel był odpowiedzialny za przeprowadzenie obliczeń na superkomputerze i komentuje swą pracę: -” Były takie momenty, że nie sądziłem, że obliczenia kiedykolwiek się zakończą.” Symulacje wykonane zostały na trzech największych superkomputerach w Europie:

  • superkomputerze Leibniz-Rechenzentrum München (LRZ), który wykonał główne obliczenia
  • superkomputerze Cosmology Machine w Instytucie Kosmologii Obliczeniowej, Uniwersytetu Durham
  • superkomputerze STELLA projektu LOFAR ha Uniwersytecie Groningen

Profesor Simon White, dyrektor Instytutu Maxa Plancka mówi: -„Te obliczenia ostatecznie pokazują nam jak wygląda rozmieszczenie ciemnej materii w rejonie Słońca, tam, gdzie mamy szansę na jej detekcję.”

Profesor Carlos Frenk, dyrektor Instytutu Kosmologii Obliczeniowej dodaje: -” Rozwiązanie zagadki ciemnej materii będzie jednym z największych osiągnięć naukowych naszych czasów. To znaczące, że nawet postępy teoretycznej przy rozwiązywaniu tak złożonych problemów naukowych wymagają międzynarodowej współpracy takiej, jak nasza.”

Źródło:

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *