Jak studuješ něco neviditelného? To je výzva, které čelí astronomové, kteří studují temnou hmotu. Přestože temná hmota tvoří 85 % veškeré hmoty ve vesmíru, neinteraguje se světlem. Lze jej vidět pouze prostřednictvím gravitačního vlivu, který má na světlo a další hmotu. Aby toho nebylo málo, snahy o přímou detekci temné hmoty na Zemi byly zatím neúspěšné.
Navzdory nepolapitelné kvalitě temné hmoty jsme se o ní dozvěděli několik věcí. Víme, že není jen tma, ale i zima. V důsledku toho se shlukuje a tvoří semena kup galaxií. Často také tvoří halo kolem galaxií, které tvoří většinu hmoty galaxie. Stále však existuje mnoho nezodpovězených otázek o temné hmotě, takže astronomové často vyvíjejí nové modely pro temnou hmotu a porovnávají je s pozorováním, aby otestovali jejich přesnost.
Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, jsou sofistikované počítačové simulace. Nedávno tým z Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics provedl podrobnou simulaci kosmu temné hmoty a přinesl některé překvapivé výsledky.
IceCube Neutrino Detector v Antarktidě hledal WIMP. Kredit: IceCube Collaboration/NSF
Přesnost jakékoli simulace temné hmoty závisí na předpokladech, které o temné hmotě uděláte. V tomto případě tým předpokládal, že se skládá z temné hmoty slabě interagující masivní částice (WIMP) s hmotností asi 100krát větší než proton. WIMP jsou jednou z nejpopulárnějších teorií temné hmoty. Podobné počítačové simulace temné hmoty WIMP byly provedeny již dříve. Přesto měl tento výjimečně vysoké rozlišení a simuloval rysy v rozsahu třiceti řádů.
V této simulaci se temná hmota tvořila v halo kolem galaxií, přesně jak to pozorujeme. Ale zajímavé bylo, že se zjistilo, že halo se také vyvíjelo ve všech hmotnostních měřítcích, od malých halo s hmotností planet přes galaktická hala až po masivní halo, které se tvoří kolem kup galaxií. Tyto halo mají podobnou strukturu, kde jsou směrem ke svému středu nejhustší a na okrajích se stávají více rozptýlenými. Skutečnost, že se to děje ve všech měřítcích, z toho činí explicitní rys temné hmoty.
Simulace ukazuje halo temné hmoty ve všech měřítcích. Kredit: J. Wang; S. Bose/Centrum astrofyziky
I když jsou halo v malém měřítku příliš malé na to, aby je bylo možné detekovat prostřednictvím jejich gravitačního vlivu na světlo, mohly by nám říci o tom, jak temná hmota interaguje sama se sebou. Jedna myšlenka o temné hmotě je, že když se částice temné hmoty srazí, vyzařují gama záření. Některá pozorování gama záření naznačila a přebytek gama záření přicházející ze středu naší galaxie, který by mohl být způsoben temnou hmotou. V tomto konkrétním modelu by většina gama záření produkovaného temnou hmotou pocházela z menších halo. Vzhledem k tomu, že rozsah halo by ovlivnil energetické spektrum gama paprsků, tento model poskytuje konkrétní předpovědi o přebytku gama záření, který bychom měli vidět jak v Mléčné dráze, tak v jiných galaxiích.
Temná hmota zůstává jedním z největších nevyřešených problémů moderní astronomie. I když bychom to rádi detekovali přímo, dokud se tak nestane, simulace, jako je tato, jsou jedním z našich nejmocnějších nástrojů k lepšímu pochopení temné hmoty.
Odkaz:Wang, J., Bose, S., Frenk, C. S. et al. “ Univerzální struktura halo temné hmoty v hmotnostním rozsahu 20 řádů .'Příroda585,7823 (2020): 39-42.