• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Ewolucja kosmologiczna ciemnej materii przebiega podobnie jak materii widzialnej

    23.08.2011. 14:33
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Wielkie struktury kosmiczne zbudowane z ciemnej i zwykłej materii ewoluują w podobny sposób - to wniosek z symulacji komputerowych przeprowadzonych przez polsko-niemiecko-rosyjski zespół astrofizyków i kosmologów - informuje Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) na swojej stronie internetowej.

    Ewolucję wypełniających wszechświat wielkich obłoków ciemnej i zwykłej materii udało się prześledzić za pomocą wysokorozdzielczych symulacji komputerowych, przygotowanych przez zespół naukowców z FUW, Instytutu Fizyki im. Lebiediewa Rosyjskiej Akademii Nauk i Instytutu Astrofizycznego w Poczdamie.

    Od kilku dziesięcioleci astronomowie mają problem z wytłumaczeniem ruchów gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach galaktyk. Pomiary wskazują, że typowa galaktyka musi zawierać od 10 do 50 razy więcej niewidocznej materii niż zwykłej, a w gromadach galaktyk ciemnej materii powinno być nawet od 100 do 500 razy więcej.

    "Okazuje się, że zwykła materia, tworząca świat postrzegany przez nas na co dzień, jest tylko nieznacznym dodatkiem do ciemnej materii. Tej ostatniej jest we wszechświecie przynajmniej sześć razy więcej - i nikt nie ma pojęcia, czym jest. Odkrywanie jej natury jest niezwykle podniecające" - mówi prof. Marek Demiański z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW).

    Naukowcy spodziewają się, że ciemna materia musiała odgrywać dominującą rolę w powstawaniu galaktyk i ich gromad. Uczeni są więc zainteresowani, w jaki sposób ciemna materia rozkłada się we wszechświecie i jak zbudowane z niej struktury ewoluowały w czasie. Aby odpowiedzieć na te pytania, należałoby obserwować gromady galaktyk, których światło biegło do Ziemi dziesięć i więcej miliardów lat. Tak dalekie obiekty są jednak trudne do detekcji. W efekcie danych obserwacyjnych jest za mało, by można je poddać analizie statystycznej.

    Międzynarodowy zespół badaczy podczas symulacji analizował zachowanie około miliarda obiektów, początkowo rozmieszczonych równomiernie w sześcianie o boku długości kilkuset milionów lat świetlnych. W miarę upływu czasu pierwotny sześcian rozszerzano wraz z "puchnącym" Wszechświatem. Każdy punkt w symulacji posiadał masę równą ok. stu milionom mas Słońca, przy czym większości punktów przyporządkowano cechy ciemnej materii. Naukowcy analizowali następnie, jak zmienia się rozmieszczenie punktów pod wpływem grawitacji wraz z upływem czasu.

    Do najważniejszych wniosków płynących z przeprowadzonych symulacji należy potwierdzenie podobieństwa procesu ewolucji struktury ciemnej i zwykłej materii w wielkich skalach kosmicznych. Oznacza to, że jeśli spojrzymy na modelowany sześcian w chwili, gdy od Wielkiego Wybuchu upłynęły cztery miliardy lat, a następnie porównamy jego wygląd z sześcianem mającym dziesięć miliardów lat, to po dopasowaniu rozmiarów obu sześcianów okaże się, że znajdujące się w nich struktury z ciemnej i zwykłej materii wyglądają praktycznie tak samo.

    "To podobieństwo procesu ewolucji obu typów materii pozwala na podstawie rozkładu zwykłej materii odtworzyć rozkład ciemnej materii. Naszymi symulacjami potwierdziliśmy ten efekt i mamy teraz większą pewność, że obserwując ruchy gromad galaktyk naprawdę możemy zajrzeć w niewidoczny świat ciemnej materii" - podsumowuje prof. Demiański.

    Jak wyjaśniono w komunikacie na stronie FUW, obecnie przyjmuje się, że ciemna materia składa się z egzotycznych, jeszcze nieznanych nauce cząstek, niezwykle słabo lub w ogóle nieoddziałujących z promieniowaniem elektromagnetycznym i innymi znanymi obecnie cząstkami elementarnymi. Ciemną materię naukowcy mogą obserwować tylko pośrednio, badając wpływ jej grawitacji na ruchy zwykłej materii.

    We wczesnych epokach po Wielkim Wybuchu zarówno ciemna, jak i zwykła materia były rozłożone mniej więcej równomiernie. W przeciwieństwie do zwykłej, ciemna materia nie oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym, które wypełniało wszechświat wkrótce po Wielkim Wybuchu, mogła więc szybciej poddać się wpływowi własnej grawitacji. Drobne zaburzenia w rozkładzie ciemnej materii zaczęły się grawitacyjnie kurczyć i ściągać ku sobie najpierw ciemną materię, a w późniejszych epokach także zwykłą. Symulacje polsko-niemiecko-rosyjskiej grupy naukowców odzwierciedlają ten proces.

    Wyniki symulacji komputerowych rozkładu ciemnej i zwykłej materii zostały opublikowane w czasopiśmie "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society".

    PAP - Nauka w Polsce

     

    lt/ agt/bsz


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Zimna ciemna materia - jeden z rodzajów ciemnej materii. Postulat jej istnienia wynika z udoskonalenia teorii wielkiego wybuchu zawierającej dodatkowe założenia, że większość materii we wszechświecie składa się z materiału, który nie może być obserwowany, bo nie wytwarza promieniowania elektromagnetycznego (skutkiem czego jest ciemna), a cząstki tworzące tę materię poruszają się wolno (stąd jest zimna). Większość kosmologów traktowała zimną materię jako opis, jak wszechświat przeszedł z gładkiego początkowego stanu we wczesnym czasie (jak pokazują badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła) do rozkładu galaktyk i ich gromad, jaki widzimy dziś - wielkoskalowej struktury wszechświata. Zaburzenia gęstości (kosmologia): Zimna ciemna materia różni się od innych rodzajów ciemnej materii tym, że zaburzenia gęstości występują w niej we wszystkich skalach, podczas gdy na przykład neutrina nie wykazują żadnych zaburzeń w malej skali. Wszechświat wypełniony neutrinami byłby jak góra o zupełnie płaskim wierzchołku. Gorąca ciemna materia – jeden z rodzajów ciemnej materii. Składa się z cząstek poruszających się z prędkościami relatywistycznymi. Najlepszym kandydatem na gorącą ciemną materię są neutrina. Mają bardzo małą masę, nie uczestniczą ani w elektromagnetycznych, ani w silnych jądrowych oddziaływaniach, są zatem bardzo trudno wykrywalne.

    Era materii – pojęcie stosowane w kosmologii dla określenie fazy rozwoju Wszechświata. Na podstawie kosmologicznego modelu rozszerzającego się Wszechświata przyjmuje się, że era materii rozpoczęła się około 100 000 lat po Wielkim Wybuchu, po tym jak pod koniec ery promieniowania materia stała się przezroczysta dla promieniowania (powstało reliktowe promieniowanie tła) oraz nastąpiła rekombinacja, czyli wychwyt elektronów przez protony i jądra lekkich pierwiastków, przede wszystkim helu. Głównymi składnikami materii stały się atomy wodoru i helu, stanowiące około 35% pierwotnej materii. Materia rozłożyła się mniej więcej równomiernie. Jednak przypadkowe fluktuacje gęstości stały się źródłami silniejszego przyciągania grawitacyjnego (mechanizm grawitacyjnej niestabilności), co zapoczątkowało proces powstawania galaktyk i gromad galaktyk. Pierwsza część tego etapu określana jest często mianem wieków ciemnych. Później, gdy główną formą występowania materii stają się galaktyki, mówi się o rozpoczęciu ery galaktycznej. Historia pierwiastków – dzieje zmian chemicznego składuzwykłej materii”, od ery promieniowania (jądra wodoru i helu) do współczesnego Wszechświata – z dzisiejszym zróżnicowaniem gęstości materii oraz zawartości poszczególnych pierwiastków chemicznych.

    Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), Magnetyczny Spektrometr Alfa – moduł-eksperyment z dziedziny fizyki cząstek, który został umieszczony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i którego celem jest dokładny pomiar strumienia naładowanych promieni kosmicznych na niskiej orbicie wokółziemskiej. Eksperyment pozwoli na badanie formowania się Wszechświata, a także na poszukiwanie dowodu istnienia cząstek dziwnych, ciemnej materii oraz swobodnej antymaterii we Wszechświecie. Odkrycie choćby pojedynczych przypadków jąder antyhelu w promieniowaniu kosmicznym dostarczyłoby silnych dowodów na istnienie symetrii między materią i antymaterią. Materia egzotyczna - hipotetyczna koncepcja fizyki cząstek elementarnych; jest to każdy rodzaj materii, który nie jest zgodny z modelem klasycznym lub nie składa się z barionów. Materia tego typu miałaby niespotykane wśród normalnej materii cechy, takie jak np. ujemna masa (nie antymasa - antymateria ma masę dodatnią). Ujemna masa powodowałaby odpychanie grawitacyjne ciał zbudowanych z materii egzotycznej w miejsce przyciągania materii zwykłej. Według niektórych teorii mogłyby z niej być zbudowane tunele czasoprzestrzenne czy hipotetyczne gwiazdy takie jak gwiazdy Q.

    Zapadanie grawitacyjne (kolaps) – zjawisko kurczenia się skupisk materii pod wpływem siły grawitacji. Jeden z najbardziej powszechnych procesów zachodzących we Wszechświecie w najróżniejszych skalach przestrzennych i czasowych, począwszy od formowania się gromad galaktyk, galaktyk, a skończywszy na narodzinach, ewolucji i śmierci gwiazd. Zapadanie obłoków gazu zachodzi, gdy nie jest możliwe zachowanie równowagi hydrostatycznej, tzn. kiedy ciśnienie całkowite gazu nie jest w stanie zrównoważyć oddziaływań grawitacyjnych. Stan taki osiągany jest przez dowolne skupisko materii, które przekroczy masę krytyczną, zwaną masą Jeansa. Model Lambda-CDM (Λ-CDM, ang. Lambda-cold dark matter) – jeden z najpowszechniej uznawanych modeli kosmologicznych. Jego nazwa pochodzi od dwóch głównych składników Wszechświata: stałej kosmologicznej (oznaczanej przez Λ) i zimnej ciemnej materii. Model ten wyjaśnia mikrofalowe promieniowanie tła (CMB), obserwowaną strukturę wielkoskalową oraz przyspieszanie ekspansji Wszechświata.

    Bariogeneza – hipotetyczny proces zachodzący we wczesnym wszechświecie (krótko po Wielkim Wybuchu), w wyniku którego powstały główne składniki materii nukleony, czyli protony i neutrony. Podstawowym problemem, który usiłują wyjaśnić hipotezy dotyczące procesu bariogenezy, jest obserwowana we wszechświecie nierównowaga pomiędzy liczbą cząstek materii a antymaterii. Naturalną hipotezą jest, że powstający wszechświat powinien zawierać równą liczbę cząstek i antycząstek. Pojawia się zatem problem utworzenia z początkowo symetrycznego stanu wszechświata, obserwowanego obecnie stanu asymetrii pomiędzy materią i antymaterią.

    Wielka Pustka – gigantyczny obszar pustej przestrzeni kosmicznej o średnicy około 1 miliarda lat świetlnych, na niebie znajdujący się w okolicy konstelacji Oriona i Rzeki Erydan. Jest to struktura będąca pustką, czyli obszarem pustej przestrzeni kosmicznej, praktycznie pozbawionym materii świecącej (galaktyk i ich gromad), a także ciemnej. Odkryta została w 2007 roku przez zespół amerykańskich astronomów z Uniwersytetu w Minneapolis.

    Fizyka poza modelem standardowym - aspekty fizyki teoretycznej, próbujące wyjaśnić niedoskonałości modelu standardowego, takie jak: pochodzenie masy, naruszenie parzystości ładunku, oscylacje neutrin, asymetrię materii i antymaterii oraz naturę ciemnej materii i ciemnej energii. Dodatkową trudność sprawia aparat matematyczny samego modelu standardowego, który jest niespójny z ogólną teorią względności w punktach, w których jedna lub obie teorie załamują się przy określonych warunkach (np. w osobliwościach czasoprzestrzeni takich jak Wielki Wybuch czy horyzont zdarzeń czarnej dziury). Nuklearny makaron (ang. nuclear pasta) – stan skupienia niezwykle zagęszczonej materii powstający w czasie wybuchu supernowej typu II i znajdującej się wewnątrz białych karłów. Skondensowana materia znajdująca się w tak ekstremalnych warunkach, gęstość materii wynosi około 10 gramów na centymetr sześcienny, może tworzyć struktury obrazowo porównywane do makaronu – zarówno płaskie arkusze lasagne jak i bardziej wymyślne spiralne fusili i inne „makaronowe” kształty. Istnienie tego typu materii było postulowane już wcześniej, a po raz pierwszy zostało wykryte pośrednio, poprzez obserwację pulsarów w 2013.

    Materia międzygwiazdowa – materia rozproszona w przestrzeni międzygwiazdowej. Jest to materia pierwotna galaktyki, ale w sposób ciągły wzbogacana przez materię traconą przez gwiazdy w wyniku powolnego wypływu bądź eksplozji znacznej części materii gwiazdy (np. jak w przypadku nowej lub gwiazd supernowych). Utrata materii przez gwiazdę jest jednoznaczna ze zwrotem materii do ośrodka międzygwiazdowego, z której wcześniej gwiazda powstała. Jednak skład chemiczny wyrzucanej materii różni się od pierwotnego składu materii, z której powstała gwiazda, ponieważ część tej materii brała udział w procesach jądrowych. Skutkiem jest stałe wzbogacanie materii międzygwiazdowej w galaktyce w produkty wewnątrzgwiezdnych reakcji jądrowych. Galaktyka (z gr. γαλα – mleko) – duży, grawitacyjnie związany układ gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 10do 10 gwiazd orbitujących wokół wspólnego środka masy.

    Galaktyka (z gr. γαλα – mleko) – duży, grawitacyjnie związany układ gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego oraz niewidocznej ciemnej materii. Typowa galaktyka zawiera od 10do 10 gwiazd orbitujących wokół wspólnego środka masy.

    Dodano: 23.08.2011. 14:33  


    Najnowsze