Astrophysiker simulieren einen mysteriösen galaktischen Halo aus dunkler Materie

Dichtescheiben werden zu einem mysteriösen Halo aus dunkler Materie vergrößert. Das Diagramm rechts zeigt die rekonstruierte mysteriöse Wellenfunktion der dunklen Materie mit einem selbstkonsistenten Interferenzmuster und einem zentralen solitonischen Kern unter Verwendung der neu eingeführten Gaußschen Strahlenmethode im hochverfeinerten inneren Bereich der Korona. Bildnachweis: Schwabe & Niemeyer.

Dunkle Materie ist eine Art von Materie im Universum, die Licht nicht absorbiert, reflektiert oder emittiert, was es unmöglich macht, es direkt zu erkennen. In den letzten Jahren haben Astrophysiker und Kosmologen auf der ganzen Welt versucht, diese schwer fassbare Art von Materie indirekt aufzudecken, um ihre einzigartigen Eigenschaften und ihre Zusammensetzung besser zu verstehen.

Einer der vielversprechendsten Kandidaten für Dunkle Materie ist „Fuzzy Dark Matter“, eine hypothetische Form von Dunkler Materie, von der angenommen wird, dass sie aus sehr leichten, schuppenden Partikeln besteht. Es ist bekannt, dass diese Art von Material aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften schwierig zu simulieren ist.

Forscher der Universität Zaragoza in Spanien und des Instituts für Astrophysik in Deutschland haben kürzlich eine neue Methode vorgeschlagen, mit der die dunkle Materie simuliert werden könnte, die einen galaktischen Halo bildet. Diese Methode wurde in einem Artikel vorgestellt, der in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Überprüfungbasierend auf einer Algorithmusanpassung, die das Team in seiner früheren Arbeit vorgestellt hat.

„Die numerische Herausforderung für Studien, die sich auf trübe dunkle Materie konzentrieren, besteht darin, dass ihre charakteristischen Merkmale, Korndichteschwankungen in Halos und kollabierenden Filamenten, um Größenordnungen kleiner sind als jede kosmische Simulationsbox, die groß genug ist, um die Dynamik des kosmischen Netzes genau zu erfassen“, sagte er Bodo Schwab, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, Website Phys.org. „So versucht man seit Jahren, effiziente numerische Methoden, die großräumige Dynamiken erfassen, mit Algorithmen zu kombinieren, die zwar rechenintensiv sind, aber diese Dichteschwankungen präzise entwickeln können.“

Im Rahmen ihrer neuesten Studie haben Schwabe und sein Kollege Jens C. Niemeyer einen Algorithmus angepasst und verbessert, den sie in ihrer früheren Arbeit vorgestellt haben. Die von ihnen entwickelte Methode ist bisher die einzige, die erfolgreich eingesetzt werden kann, um kosmische Simulationen von trüber dunkler Materie durchzuführen.

Mit dem angepassten Algorithmus konnten die Forscher den Zusammenbruch des Netzes des Universums in Filamente und Halos simulieren. Dies wurde mit der sogenannten „n-Körper-Methode“ erreicht, die das „Anfangsdichtefeld“ in kleine Partikel aufteilt, die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft frei entfalten.

“Die n-Körper-Methode ist eine sehr stabile, gut getestete und effiziente Methode, aber sie erfasst nicht die Dichteschwankungen des Feldes der dunklen Materie, die Filamente und Halos stören”, erklärte Schwab. „In einem kleinen Teilvolumen unserer Simulationsbox, das das Zentrum eines vordefinierten Halo verfolgt, haben wir auf einen anderen Algorithmus umgeschaltet, der als Finite-Differenzen-Methode bekannt ist, der die unscharfe Wellenfunktion der dunklen Materie direkt entwickelt und so ihre überlappenden Muster erfassen kann die zu charakteristischen Schwankungen der Korndichte führen.”

Während n-Körper-Methoden und Finite-Differenzen-Methoden von der Astrophysik auf der ganzen Welt für kosmologische Simulationen weit verbreitet sind, werden sie selten zusammen verwendet. Um ihre Simulationen durchzuführen, kombinierten Schwabe und Niemeyer diese beiden Methoden und stützten sich auf die Moderation zwischen ihnen auf der Subvolumenoberfläche.

Genauer gesagt befördert das von ihnen verwendete Verfahren n-Körper-Partikel in kohärente Wellenpakete, die als “Gaußsche Strahlen” bekannt sind. Die Überlagerung dieser Elemente führte an ihrem Schnittpunkt zu einer mysteriösen Wellenfunktion aus dunkler Materie, die es schließlich ermöglichte, ihre Simulationen durchzuführen.

„Die erfolgreiche Kombination von Finite-Differenzen-Methoden und dem n-Körper ebnet den Weg für realistische Simulationen kosmischer mysteriöser dunkler Materie“, fügte Schwab hinzu. „Diese Simulationen könnten die Kollision von zwei oder mehr mysteriösen Halos aus dunkler Materie, die Entwicklung von Sternhaufen innerhalb eines Halo oder ihre Wechselwirkung mit dem zentralen solitonischen Kern umfassen, dessen zufälliger Weg zu einer Erwärmung oder sogar Störung des Sternhaufens führen kann.“


So könnte das „Fuzzy“-Universum aussehen


Mehr Informationen:
Bodo Schwab et al., Starke Vergrößerungssimulation eines galaktischen Halo aus mysteriöser dunkler Materie, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.181301

© 2022 Science X Netzwerk

das Zitat: Astrophysics simuliert den Halo dunkler Materie einer mysteriösen Galaxie (2022, 30. Mai) Abgerufen am 31. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-astrophysicists-simulate-fuzzy-dark-galactic.html

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