Kuidas uurida midagi nähtamatut? See on väljakutse, millega seisavad silmitsi tumeainet uurivad astronoomid. Kuigi tumeaine moodustab 85% kogu universumi ainest, ei suhtle see valgusega. Seda saab näha ainult gravitatsioonilise mõju kaudu, mis sellel on valgusele ja muule ainele. Asja teeb hullemaks see, et tumeaine otsene tuvastamine Maal on seni ebaõnnestunud.
Vaatamata tumeaine tabamatule kvaliteedile oleme selle kohta õppinud mitmeid asju. Teame, et pole mitte ainult pime, vaid ka külm. Selle tulemusena koondub see kokku, moodustades galaktikaparvede seemned. Samuti moodustab see sageli galaktikate ümber halosid, moodustades suurema osa galaktika massist. Tumeaine kohta on aga veel palju vastuseta küsimusi, mistõttu astronoomid töötavad sageli välja uusi tumeaine mudeleid, võrreldes neid vaatlusega, et kontrollida nende täpsust.
Üks viis seda teha on keerukate arvutisimulatsioonide abil. Hiljuti viis Harvardi ja Smithsoniani astrofüüsika keskuse meeskond tumeaine kosmose üksikasjalikku simulatsiooni ja see on andnud üllatavaid tulemusi.
Antarktikas asuv IceCube'i neutriinodetektor on otsinud WIMP-e. Krediit: IceCube Collaboration/NSF
Tumeaine simulatsiooni täpsus sõltub eeldustest, mida teete tumeaine kohta. Sel juhul eeldas meeskond, et tumeaine koosneb nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed (WIMP) mille mass on umbes 100 korda suurem kui prootonil. WIMP-id on üks populaarsemaid tumeaine teooriaid. Sarnaseid WIMP-tumeaine arvutisimulatsioone on tehtud varemgi. Sellegipoolest oli see erakordselt kõrge eraldusvõimega, simuleerides funktsioone skaalal, mis ulatus kolmekümne suurusjärku.
Selles simulatsioonis tekkis tumeaine galaktikate ümber asuvates halodes, nagu me vaatleme. Kuid huvitaval kombel leiti, et halod arenesid ka kõigil massiskaalal, alates väikestest planeedi massiga halodest kuni galaktikate halodeni kuni galaktikaparvede ümber moodustuvate massiivsete halodeni. Nendel halodel on sarnane struktuur, kus nad on oma keskpunkti poole kõige tihedamad, muutudes servadest hajutatumaks. Asjaolu, et see juhtub igal skaalal, muudab selle tumeaine selgesõnaliseks tunnuseks.
Simulatsioon näitab tumeda aine halosid kõigil skaaladel. Krediit: J. Wang; S. Bose/astrofüüsika keskus
Kuigi väikesemahulised halod on liiga väikesed, et neid valgusele avaldatava gravitatsioonilise mõju kaudu tuvastada, võivad nad meile rääkida, kuidas tumeaine suhtleb iseendaga. Üks idee tumeaine kohta on see, et kui tumeaine osakesed põrkuvad, kiirgavad nad gammakiirgust. Mõned gammakiirguse vaatlused on vihjanud a meie galaktika keskpunktist tulev liigne gammakiirgus, mille võib põhjustada tumeaine. Selles konkreetses mudelis pärineb suurem osa tumeaine tekitatud gammakiirgusest väiksematest halodest. Kuna halo skaala mõjutaks gammakiirte energiaspektrit, teeb see mudel konkreetseid ennustusi gammakiirguse ülejäägi kohta, mida peaksime nägema nii Linnuteel kui ka teistes galaktikates.
Tumeaine on tänapäeva astronoomia üks suurimaid lahendamata probleeme. Kuigi meile meeldiks seda otse tuvastada, on sellised simulatsioonid nagu see üks meie võimsamaid tööriistu tumeaine paremaks mõistmiseks.
Viide:Wang, J., Bose, S., Frenk, C. S. jt. “ Tumeaine halode universaalne struktuur massivahemikus 20 suurusjärku .'Loodus585.7823 (2020): 39-42.
