Ett forskargrupp som leds av fysiker vid University of California, Riverside, rapporterar små satellitgalaxer i Vintergatan kan användas för att testa grundläggande egenskaper hos "mörk materia" - icke -luminöst material som anses utgöra 85% av materia i universum.

Med hjälp av sofistikerade simuleringar, forskarna visar en teori som kallas självinteragerande mörk materia, eller SIDM, kan övertygande förklara olika distributioner av mörk materia i Draco och Fornax, två av Vintergatans mer än 50 upptäckta satellitgalaxer.

Den rådande teorin om mörk materia, kallad Cold Dark Matter, eller CDM, förklarar mycket av universum, inklusive hur strukturer framträder i den. Men en mångårig utmaning för CDM har varit att förklara de olika fördelningarna av mörk materia i galaxer.

Forskarna, ledd av UC Riversides Hai-Bo Yu och Laura V. Sales, studerat utvecklingen av SIDM "subhalos" i Vintergatans "tidvattenfält" - den gradient i gravitationens fält på Vintergatan som en satellitgalax känner i form av en tidvattenkraft. Subhalos är klumpar av mörk materia som är värd för satellitgalaxerna.

"Vi fann att SIDM kan producera olika distributioner av mörk materia i Drakos och Fornax glorier, i överensstämmelse med observationer, "sa Yu, en docent i fysik och astronomi och en teoretisk fysiker med expertis i partikelegenskaper hos mörk materia. "I SIDM, interaktionen mellan subhalos och Vintergatans tidvatten leder till mer mångsidig distribution av mörk materia i subhalos inre områden, jämfört med deras CDM -motsvarigheter. "

Draco och Fornax har motsatta ytterligheter i sitt inre mörka materialinnehåll. Draco har den högsta densiteten av mörk materia bland de nio ljusa Vintergatans satellitgalaxer; Fornax har det lägsta. Med hjälp av avancerade astronomiska mätningar, astrofysiker rekonstruerade nyligen sina banor i Vintergatans tidvattenfält.

"Vår utmaning var att förstå ursprunget till Draco och Fornax olika mångsidiga fördelningar mot bakgrund av dessa nyligen uppmätta banor, "Sa Yu." Vi fann att SIDM kan ge en förklaring efter att ha tagit in både tidvatteneffekter och självinteraktioner mellan mörk materia. "

Studieresultat visas i Fysiska granskningsbrev .

Den mörka materiens natur är fortfarande i stort sett okänd. Till skillnad från normal materia, det absorberar inte, reflektera, eller avge ljus, gör det svårt att upptäcka. Att identifiera den mörka materiens natur är en central uppgift inom partikelfysik och astrofysik.

I CDM, partiklar av mörk materia antas vara kollisionslösa, och varje galax sitter i en halo av mörk materia som bildar gravitationens ställningar som håller ihop den. I SIDM, mörk materia föreslås att själv interagera genom en ny mörk kraft. Mörka materialpartiklar antas starkt kollidera med varandra i den inre glorin, nära galaxens centrum-en process som kallas mörk interaktion.

"Vårt arbete visar att satellitgalaxer i Vintergatan kan ge viktiga tester av olika teorier om mörk materia, "sa försäljning, en biträdande professor i fysik och astronomi och en astrofysiker med expertis i numeriska simuleringar av galaxbildning. "Vi visar samspelet mellan självinteraktioner mellan mörk materia och tidvatteninteraktioner kan ge nya signaturer i SIDM som inte förväntas i den rådande CDM-teorin."

I deras arbete, forskarna använde främst numeriska simuleringar, kallas "N-kroppssimuleringar, "och fick värdefull intuition genom analytisk modellering innan de körde sina simuleringar.

"Våra simuleringar avslöjar ny dynamik när en SIDM -subhalo utvecklas i tidvattenfältet, "sa Omid Sameie, en tidigare UCR -doktorand som arbetade med Yu och Sales och är nu postdoktor vid University of Texas i Austin och arbetar med numeriska simuleringar av galaxbildning. "Man trodde att observationer av Draco var oförenliga med SIDM -förutsägelser. Men vi fann att en subhalo i SIDM kan ge en hög densitet för mörk materia för att förklara Draco."

Försäljningen förklarade SIDM förutspår ett unikt fenomen som kallas "kärnkollaps". Under vissa omständigheter, haloens inre del kollapsar under påverkan av gravitationen och ger en hög densitet. Detta strider mot den vanliga förväntningen att självinteraktioner mellan mörk materia leder till en halogen med låg densitet. Försäljningen sa att teamets simuleringar identifierar förutsättningar för att kärnkollapsen ska inträffa i subhalos.

"För att förklara Dracos höga densitet i mörk materia, dess initiala halokoncentration måste vara hög, "sa hon." Mer mörk materia måste distribueras i den inre glorin. Även om detta gäller både CDM och SIDM, för SIDM kan kärnkollapsfenomenet bara inträffa om koncentrationen är hög så att tidsramen för kollaps är mindre än universums ålder. Å andra sidan, Fornax har en lågkoncentrerad subhalo, och dess densitet förblir låg. "

Forskarna betonade att deras nuvarande arbete främst fokuserar på SIDM och gör ingen kritisk bedömning av hur väl CDM kan förklara både Draco och Fornax.

Efter att laget använt numeriska simuleringar för att korrekt ta hänsyn till det dynamiska samspelet mellan mörk interaktion och interaktioner mellan tidvatten, forskarna observerade ett slående resultat.

"Den centrala mörka substansen i en SIDM -subhalo kan öka, mot vanliga förväntningar, "Sade Sameie." Det viktigaste är att våra simuleringar identifierar förutsättningar för att detta fenomen ska inträffa i SIDM, och vi visar att det kan förklara observationer av Draco. "

Forskargruppen planerar att utvidga studien till andra satellitgalaxer, inklusive ultrafärkta galaxer.