Mörk materia är en typ av materia i universum som inte absorberar, reflekterar eller avger ljus, vilket gör det omöjligt att direkt upptäcka. Under de senaste åren har astrofysiker och kosmologer världen över försökt att indirekt upptäcka denna svårfångade typ av materia, för att bättre förstå dess unika egenskaper och sammansättning.

En av de mest lovande kandidaterna för mörk materia är "fuzzy dark matter" en hypotetisk form av mörk materia som tros bestå av extremt ljusa skalära partiklar. Denna typ av materia är känd för att vara svår att simulera, på grund av dess unika egenskaper.

Forskare vid Universidad de Zaragoza i Spanien och Institutet för Astrofysik i Tyskland har nyligen föreslagit en ny metod som kan användas för att simulera den suddiga mörka materia som bildar en galaktisk halo. Denna metod, introducerad i en artikel publicerad i Physical Review Letters , är baserad på anpassningen av en algoritm som teamet introducerade i sina tidigare arbeten.

"Den numeriska utmaningen för studier som fokuserar på suddig mörk materia är att dess utmärkande egenskaper, fluktuationerna i granulära densitet i kollapsade glorier och filament, är storleksordningar mindre än någon kosmologisk simuleringsbox som är tillräckligt stor för att exakt fånga dynamiken i den kosmiska webben." Bodo Schwabe, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Således har människor i flera år försökt kombinera effektiva numeriska metoder som fångar den storskaliga dynamiken med algoritmer som är beräkningskrävande men som exakt kan utveckla dessa densitetsfluktuationer."

Som en del av sin senaste studie har Schwabe och hans kollega Jens C. Niemeyer anpassat och förbättrat en algoritm som de hade introducerat i sitt tidigare arbete. Än så länge är metoden de utvecklat den enda som framgångsrikt kan användas för att genomföra kosmologiska simuleringar av fuzzy mörk materia.

Med hjälp av sin anpassade algoritm kunde forskarna simulera kosmosvävens kollaps till filament och glorier. Detta uppnåddes med den så kallade "n-kroppsmetoden", som delar upp det "initiala densitetsfältet" i små partiklar som fritt utvecklas under tyngdkraften.

"N-kroppsmetoden är en mycket stabil, väl beprövad och effektiv metod, men den fångar inte upp densitetsfluktuationerna i det störande fältet för suddig mörk materia i filament och glorier," förklarade Schwabe. "I en liten delvolym av vår simuleringsbox som spårar centrum en förvald halo, bytte vi därför till en annan algoritm, känd som den finita skillnadsmetoden, som direkt utvecklar vågfunktionen för fuzzy mörk materia och därmed kan fånga dess störande lägen som ger de karakteristiska granulära densitetsfluktuationerna."

Medan metoderna för n-kropp och ändlig skillnad används i stor utsträckning av astrofysik över hela världen för att utföra kosmologiska simuleringar, har de sällan använts tillsammans. För att utföra sina simuleringar kombinerade Schwabe och Niemeyer dessa två metoder och förlitade sig på moderering mellan dem på ytan av delvolymen.

Mer specifikt främjar metoden de använde n-kroppspartiklarna till koherenta vågpaket kända som "Gaussiska strålar". Superpositionen av dessa element ledde till en suddig mörk materiavågfunktion vid deras skärningspunkt, vilket till slut gjorde det möjligt att utföra deras simuleringar.

"Vår framgångsrika kombination av metoderna med n-kropp och finita skillnader banar väg för realistiska kosmologiska simuleringar av fuzzy mörk materia," tillade Schwabe. "These simulations can include the collision of two or more fuzzy dark matter halos, the evolution of star clusters inside a halo, or their interaction with the central solitonic core whose random walk can potentially heat up or even disrupt the star cluster." + Utforska vidare

This is how a 'fuzzy' universe may have looked

© 2022 Science X Network