Forskare vid universitetet i Bonn och University of California i Irvine använde sofistikerade datasimuleringar för att ta fram ett test som kunde svara på en brännande fråga inom astrofysik:existerar verkligen mörk materia? Eller behöver Newtons gravitationslag ändras? Den nya studien, nu publicerad i Fysiska granskningsbrev , visar att svaret är dolt i stjärnornas rörelse i små satellitgalaxer som virvlar runt Vintergatan.

Med en av de snabbaste superdatorer i världen, forskarna har simulerat materiefördelningen av de så kallade "dvärg" -galaxerna. Dessa är små galaxer som kretsar kring större galaxer som Vintergatan eller Andromeda.

Forskarna fokuserade på en relation som kallas radiell accelerationsrelation (RAR). I skivgalaxer, stjärnor rör sig i cirkulära banor runt det galaktiska centrumet. Accelerationen som tvingar dem att ändra riktning orsakas av att materia lockar i galaxen. RAR beskriver förhållandet mellan denna acceleration och den som endast orsakas av den synliga substansen. Det ger en inblick i galaxernas struktur och deras materiefördelning.

"Vi har nu simulerat, för första gången, RAR för dvärggalaxer med antagandet att mörk materia existerar, "förklarar prof. dr. Cristiano Porciani från Argelander Institute for Astronomy vid universitetet i Bonn." Det visade sig att de beter sig som nedskalade versioner av större galaxer. "Men tänk om det inte finns någon mörk materia och istället tyngdkraften fungerar annorlunda. än Newton trodde? "I det här fallet, RAR för dvärggalaxer beror starkt på avståndet till deras föräldergalax, medan detta inte händer om det finns mörk materia, "förklarar forskaren Emilio Romano-Díaz.

Denna skillnad gör satelliterna till en kraftfull sond för att testa om mörk materia verkligen existerar. Rymdfarkosten Gaia, som lanserades av European Space Agency (ESA) 2013, kan ge ett svar. Den var utformad för att studera stjärnorna i Vintergatan och dess satellitgalaxer i oöverträffade detaljer och har samlat in en stor mängd data.

Dock, det kommer förmodligen att ta år att analysera data. "Individuella mätningar är inte tillräckligt för att testa de små skillnaderna vi har hittat i våra simuleringar, "förklarar doktoranden Enrico Garaldi." Men att upprepade gånger undersöka samma stjärnor förbättrar mätningarna varje gång. Förr eller senare, det borde vara möjligt att avgöra om dvärggalaxerna beter sig som i ett universum med mörk materia - eller inte. "

Cementet som håller ihop galaxer

Denna fråga är en av de mest angelägna frågorna inom kosmologi idag. Förekomsten av mörk materia föreslogs för mer än 80 år sedan av den schweiziska astronomen Fritz Zwicky. Han insåg att galaxer rör sig så snabbt inom galaxkluster att de faktiskt borde glida isär. Han postulerade därför förekomsten av osynlig materia som, på grund av dess massa, har tillräcklig tyngdkraft för att hålla galaxer på sina observerade banor. På 1970 -talet, hans amerikanska kollega Vera Rubin upptäckte ett liknande fenomen i spiralgalaxer som Vintergatan - de roterar så snabbt att centrifugalkraften skulle riva sönder dem om bara synlig materia fanns.

I dag, de flesta fysiker är övertygade om att mörk materia utgör cirka 80 procent av massan i universum. Eftersom det inte interagerar med ljus, det är osynligt för teleskop. Än, förutsatt att dess existens ger en utmärkt passform till ett antal andra observationer - till exempel fördelningen av bakgrundsstrålning, efterlampan av Big Bang. Mörk materia ger också en bra förklaring till galaxernas arrangemang och bildningshastighet i universum. Dock, trots många experimentella ansträngningar, det finns inget direkt bevis på att mörk materia existerar. Detta ledde astronomer till hypotesen att själva gravitationskraften skulle kunna bete sig annorlunda än man tidigare trott. Enligt teorin som kallas modifierad Newtonsk dynamik (MOND), attraktionen mellan två massor lyder Newtons lagar bara upp till en viss punkt. Vid mycket små accelerationer, som de som råder i galaxer, tyngdkraften blir betydligt starkare. Därför, galaxer river inte isär på grund av deras rotationshastighet och MOND -teorin kan avstå från mörk materia.

Den nya studien öppnar möjligheten för astronomer att testa dessa två hypoteser i en regim utan motstycke.