Czy spin halo ciemnej materii pokrywa się ze spinem galaktyki, wokół której się znajduje? I co to może nam powiedzieć o wczesnym Wszechświecie? Symulacje hydrodynamiczne galaktyk we wczesnym Wszechświecie mogą pomóc nam odpowiedzieć na te pytania.
Choć badania nad ciemną materią to bardzo rozległa i ekscytująca dziedzina wiedzy, astronomowie nie wiedzieli o jej istnieniu aż do lat osiemdziesiątych. Obecnie ciemna materia może być wykorzystywana do badania wszelkich zjawisk – od siły grawitacji po strukturę i ewolucję galaktyk. Badania ciemnej materii mają również implikacje dla kosmologii i mogą pomóc nam lepiej zrozumieć warunki początkowe Wszechświata. Wyrównanie spinów galaktyki i jej halo ciemnej materii może pomóc w wyznaczeniu równania stanu ciemnej materii (co może nam dużo powiedzieć o masie galaktyki i pomóc w przewidywaniu jej dynamiki).
Wyprawa po ciemną materię
Badacze stawiają dwa główne pytania. Po pierwsze, jak dobrze widoczne spiny galaktyk pokrywają się ze spinami ich halo ciemnej materii, których nie można zmierzyć? Badania nad tym zagadnieniem z wykorzystaniem symulacji numerycznych wykazały, że galaktyki i otaczające je halo ciemnej materii mogą być w znacznym stopniu przesunięte wobec siebie. Zatem drugie pytanie brzmi: co oznacza to przesunięcie? Jeżeli spiny nie są wyrównane, to czy oznacza to, że ruchy gwiazd w galaktyce są niezależne od zmian pola grawitacyjnego tła? Jeżeli tak, to oznacza to, że nie możemy już wykorzystać wyrównania spinów materii widzialnej do badania tła kosmologicznego. Zespół kierowany przez Jounghun Lee z Seoul National University stara się odpowiedzieć na to drugie pytanie, wykorzystując symulacje hydrodynamiczne do badania różnych scenariuszy.
Ilustracja tego, co dzieje się wewnątrz galaktyk
Do modelowania dynamiki galaktyki zespół wykorzystał pakiet symulacji IllustrisTNG. Oprogramowanie to bierze pod uwagę wszystko – od tempa powstawania gwiazd w galaktyce do informacji zwrotnych z supernowych i wzrostu czarnych dziur – aby modelować zachodzące procesy fizyczne. Gdy Wszechświat miał około dziewięciu miliardów lat, świecąca materia i różne formy informacji zwrotnych między gwiazdami, takie jak supernowe, występowały wzdłuż włókien w kosmicznej sieci, które połączyły spiny galaktyk i halo ciemnej materii, co pozwoliło naukowcom badać wczesną kosmologię. Jednak gdy Wszechświat miał około pięciu miliardów lat, włókna te jeszcze się nie utworzyły, a gęstość materii była dość jednolita, więc te procesy materii zachodziły losowo i nie miały żadnej struktury, którą można by naśladować. Doprowadziło to do rozłączenia spinu galaktyk i spinu halo ciemnej materii.
Lee i jego współpracownicy odkryli również, że właściwości, takie jak stosunek masy czarnych dziur do masy gwiazd, specyficzny współczynnik powstawania gwiazd (tempo tworzenia gwiazd na jednostkę masy gwiazdowej) oraz średnia metaliczność korelują lub ujemnie korelują z kątem pomiędzy spinami galaktyk gwiazdowych i ciemnej materii.
Przyszłe badania będą polegały na znalezieniu bezpośrednich dowodów na istnienie scenariusza rozłączenie spinów galaktyk i ich halo ciemnej materii na wczesnym etapie historii Wszechświata, modelowaniu tego etapu i badaniu jego związku z warunkami początkowymi Wszechświata.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Spinning Halos in the Cosmic Web
- How Do the Galaxy Stellar Spins Acquire a Peculiar Tidal Connection?
Źródło: AAS
Na ilustracji: Wizja artystyczna galaktyki i jej halo ciemnej materii (zaznaczone na niebiesko). Źródło: ESO/L. Calçada
