Nowy model analityczny, który może rzucić nieco światła na kwestię rozkładu gwiazd i ciemnej materii w galaktykach
Zakłada się, że prowadzone w najbliższej przyszłości badania kosmosu pozwolą odkryć miliardy galaktyk, których położenie i kształt będziemy wstanie wskazać z niebywałą dokładnością. Na podstawie tych pomiarów będzie można wnioskować, jak wszechświat ewoluował do obecnej postaci. Z kolei na tej podstawie będzie można rozwijać teorie dotyczące jego podstawowych składowych i być może zyskać nową wiedzę na temat tajemniczej ciemnej energii i ciemnej materii, która składa się na większość masy wszechświata. Alexander Mead, koordynator projektu Halo modelling, finansowanego w ramach programu działań „Maria Skłodowska-Curie” zauważa: „Aby na podstawie właściwości galaktyki wyciągać jakiekolwiek wnioski na temat ciemnej materii, należy dysponować solidnymi podstawami teoretycznymi do zrozumienia procesu odwrotnego, czyli w jaki sposób różne modele teoretyczne ciemnej materii i ciemnej energii wpływają na wyniki otrzymywane dla formowania struktur kosmologicznych, a tym samym dla właściwości galaktyki”.
Poprawiony model halo kosmologicznego
Najprostszym sposobem badania procesu formowania struktur jest przeprowadzenie symulacji kosmologicznych, co wiąże się tak naprawdę z bezpośrednim sprawdzeniem każdego możliwego scenariusza ewolucji wszechświata. Projekt Halo modelling pozwolił opracować nowe narzędzia teoretyczne, dzięki którym oszczędzimy miliony godzin obliczeniowych. „Opracowany niedawno półanalityczny model włącza do stosowanego od dawna modelu halo wiedzę uzyskaną w wyniku najnowszych symulacji, tym samym wprowadzając szereg usprawnień do istniejącego modelu. Po raz pierwszy model uwzględnia elementy składające się na halo – halo gwiazdowe, gorącego gazu i ciemnej materii – jako oddzielne czynniki. To da nam bardziej spójny obraz ewolucji wszechświata. Dzięki niemu zdołamy wykorzystać te same ramy teoretyczne do obliczenia wzajemnych korelacji pomiędzy różnymi wskaźnikami wielkoskalowych struktur we wszechświecie”, wyjaśnia Mead. Inna część prowadzonych badań była poświęcona przygotowaniu dokładniejszego opisu tego, w jaki sposób oddziałujące ze sobą grawitacyjnie grudki materii są rozmieszczone w delikatnym halo gazowym i niewidzialnym halo ciemnej materii. Naukowcy, korzystając z nowego modelu, zdołali skutecznie wymodelować rozkład materii z dokładnością większą niż 3 % dla różnych modeli kosmologicznych. Nowy model dodano do przygotowanego niedawno oprogramowania o otwartym kodzie HMcode-2020. Ostatecznie uczeni zrozumieli, że poważnym niedociągnięciem przyjmowanej powszechnie teorii formowania struktur kosmologicznych jest to, że zbytnio upraszcza ona kwestię wartości odchylenia halo – wielkości, która odzwierciedla sposób grupowania się halo ciemnej materii w porównaniu do związanego z nim rozkładu materii. „Zależności liniowe nie dają poprawnych wyników opisu dynamiki wokół struktur, które uległy zapadnięciu. Obecnie celem większości działań z zakresu kosmologii teoretycznej jest dalsze rozwijanie teorii perturbacji, która pozwoli uwzględnić kwestię nieliniowości”, dodaje Mead. „Lepsze modele symulacyjne mogą dać bardziej przejrzysty obraz tego, w jaki sposób wyniki otrzymywane dla formowania galaktyk zależą od zastosowanego modelu kosmologicznego, w tym ilości i rodzajów ciemnej energii i ciemnej materii, niestety sprawdzenie wszystkich dziwnych i wspaniałych scenariuszy kosmologicznych byłoby zwyczajnie niemożliwe. Model półanalityczny, który tworzy pomost między wiedzą czysto teoretyczną i wynikami symulacji będzie zawsze nieocenionym narzędziem dla każdego kosmologa”, podsumowuje Mead.
Słowa kluczowe
Halo modelling, halo, ciemna materia, formowanie struktur, materia powiązana grawitacyjnie, scenariusz kosmologiczny, teoria perturbacji