Datorsimuleringar har kämpat för att fånga effekten av svårfångade partiklar som kallas neutrinos på bildandet och tillväxten av universums storskaliga struktur. Men nu, ett forskarlag från Japan har utvecklat en metod som övervinner detta hinder.

I en studie publicerad denna månad i Astrofysisk tidskrift , forskare under ledning av University of Tsukuba presenterar simuleringar som exakt skildrar neutrinos roll i universums utveckling.

Varför är dessa simuleringar viktiga? En viktig orsak är att de kan sätta begränsningar på en för närvarande okänd kvantitet:neutrinomassan. Om denna kvantitet är satt till ett visst värde i simuleringarna och simuleringsresultaten skiljer sig från observationer, det värdet kan uteslutas. Dock, begränsningarna kan bara lita på om simuleringarna är korrekta, vilket inte garanterades i tidigare arbete. Teamet bakom denna senaste forskning syftade till att ta itu med denna begränsning.

"Tidigare simuleringar använde vissa approximationer som kanske inte är giltiga, " säger huvudförfattare till studien Lektor Kohji Yoshikawa. "I vårt arbete, vi undvek dessa approximationer genom att använda en teknik som exakt representerar neutrinernas hastighetsfördelningsfunktion och följer dess tidsutveckling."

Att göra detta, forskargruppen löste direkt ett ekvationssystem som kallas Vlasov–Poissons ekvationer, som beskriver hur partiklar rör sig i universum. De genomförde sedan simuleringar för olika värden på neutrinomassan och undersökte systemiskt neutrinos effekter på universums storskaliga struktur.

Simuleringsresultaten visar, till exempel, att neutriner undertrycker anhopningen av mörk materia – den "saknade" massan i universum – och i sin tur galaxer. De visar också att neutrinorika regioner är starkt korrelerade med massiva galaxhopar och att neutrinernas effektiva temperatur varierar avsevärt beroende på neutrinomassan.

"Övergripande, våra fynd tyder på att neutriner avsevärt påverkar den storskaliga strukturbildningen, och att våra simuleringar ger en korrekt redogörelse för den viktiga effekten av neutriner, " förklarar lektor Yoshikawa. "Det är också betryggande att våra nya resultat stämmer överens med de från helt andra simuleringsmetoder."

Detta arbete representerar en milstolpe i att simulera universum och banar väg för ytterligare utforskning av hur neutriner påverkar bildandet och tillväxten av den storskaliga strukturen. Till exempel, den nya simuleringsmetoden skulle kunna användas för att studera dynamiken hos neutriner och okonventionella typer av mörk materia. I sista hand, det kan leda till en bestämning av neutrinomassan.