Kredit gambar: Berkeley
Materi gelap adalah lingkaran bahan yang tidak kelihatan yang mengelilingi setiap galaksi. Sehingga kini, ahli astronomi percaya bahawa bahan gelap mungkin membentuk kabut zarah yang sama rata di ruang angkasa, tetapi para penyelidik dari UC Berkeley dan MIT telah membuat simulasi komputer tentang bagaimana bahan gelap dapat menyatu menjadi sebahagian besar bahan.
"Bahan gelap" yang merangkumi seperempat alam semesta yang masih tidak dapat dikesan bukanlah kabus kosmik yang seragam, kata University of California, Berkeley, ahli astrofizik, tetapi sebaliknya membentuk gumpalan lebat yang bergerak seperti gerakan debu yang menari di batang cahaya.
Dalam makalah yang diserahkan minggu ini kepada Physical Review D, Chung-Pei Ma, profesor astronomi bersekutu di UC Berkeley, dan Edmund Bertschinger dari Massachusetts Institute of Technology (MIT), membuktikan bahawa gerakan gumpalan bahan gelap dapat dimodelkan dalam cara yang serupa dengan gerakan debu atau debunga yang dibawa oleh Brown.
Penemuan mereka harus memberi ahli astrofizik dengan cara baru untuk mengira evolusi alam semesta hantu gelap ini dan mendamaikannya dengan alam semesta yang dapat dilihat, kata Ma.
Bahan gelap telah menjadi masalah mengganggu astronomi selama lebih dari 30 tahun. Bintang di dalam galaksi dan galaksi di dalam kelompok bergerak dengan cara yang menunjukkan bahawa terdapat lebih banyak perkara di sana daripada yang dapat kita lihat. Perkara ghaib ini nampaknya berada dalam lingkaran lingkaran yang mungkin 10 kali lebih jauh dari lingkaran bintang yang kelihatan di sekitar galaksi. Usul awal bahawa perkara yang tidak dapat dilihat terdiri daripada bintang-bintang yang terbakar atau neutrino yang berat belum keluar, dan calon kegemaran semasa adalah zarah-zarah eksotik yang disebut neutrilinos, paksi atau zarah supersimetri hipotetis yang lain. Kerana zarah-zarah eksotik ini berinteraksi dengan bahan biasa hanya melalui graviti, bukan melalui gelombang elektromagnetik, mereka tidak memancarkan cahaya.
"Kami hanya melihat separuh daripada semua zarah," kata Ma. "Mereka terlalu berat untuk dihasilkan sekarang dalam pemecut, jadi separuh dunia yang tidak kita ketahui."
Gambar itu menjadi lebih buruk empat tahun yang lalu apabila "tenaga gelap" didapati lebih lazim daripada bahan gelap. Akaun kosmik kini menghubungkan tenaga gelap pada sekitar 69 peratus alam semesta, bahan gelap eksotik pada 27 peratus, bahan gelap biasa - bintang redup, tidak kelihatan - pada 3 peratus, dan yang sebenarnya kita lihat hanya pada 1 peratus.
Berdasarkan model komputer bagaimana bahan gelap bergerak di bawah kekuatan graviti, Ma mengatakan bahawa bahan gelap bukanlah kabus seragam yang menyelimuti kelompok galaksi. Sebaliknya, bahan gelap membentuk gumpalan kecil yang kelihatan dangkal seperti galaksi dan gugus globular yang kita lihat di alam semesta kita yang bercahaya. Materi gelap mempunyai kehidupan yang dinamik yang bebas daripada bahan bercahaya, katanya.
"Latar belakang gelombang mikro kosmik menunjukkan kesan awal penggumpalan bahan gelap, dan gumpalan ini tumbuh di bawah tarikan graviti," katanya. "Tetapi setiap gumpalan ini, lingkaran di sekitar kelompok galaksi, dianggap halus. Orang-orang tertarik untuk mengetahui bahawa simulasi resolusi tinggi menunjukkan bahawa mereka tidak lancar, sebaliknya mempunyai struktur yang rumit. Dunia gelap mempunyai kehidupannya yang dinamik. "
Ma, Bertschinger dan pelajar siswazah UC Berkeley Michael Boylan-Kolchin melakukan beberapa simulasi ini sendiri. Beberapa kumpulan lain sejak dua tahun kebelakangan ini juga menunjukkan peningkatan yang serupa.
Alam semesta hantu bahan gelap adalah templat bagi alam semesta yang dapat dilihat, katanya. Bahan gelap 25 kali lebih banyak daripada bahan yang kelihatan semata-mata, jadi bahan yang kelihatan harus berkumpul di mana sahaja benda gelap berkerumun.
Di sinilah terletaknya masalah, kata Ma. Simulasi komputer mengenai evolusi jirim gelap meramalkan lebih banyak gumpalan benda gelap di rantau ini daripada sekumpulan bahan bercahaya yang dapat kita lihat. Sekiranya bahan bercahaya mengikuti bahan gelap, pasti ada bilangan yang hampir sama.
"Galaksi kita, Bima Sakti, mempunyai sekitar selusin satelit, tetapi dalam simulasi kita melihat ribuan satelit benda gelap," katanya. "Materi gelap di Bima Sakti adalah persekitaran yang dinamis dan meriah di mana ribuan satelit kecil gumpalan benda gelap berkerumun di sekitar lingkaran cahaya ibu bapa yang besar, sentiasa berinteraksi dan mengganggu satu sama lain."
Di samping itu, ahli astrofizik yang memodelkan gerakan bahan gelap bingung melihat bahawa setiap gumpalan mempunyai kepadatan yang memuncak di tengah dan jatuh ke tepi dengan cara yang sama, tidak bergantung pada ukurannya. Walau bagaimanapun, profil ketumpatan sejagat ini nampaknya bertentangan dengan pengamatan beberapa galaksi kerdil yang dibuat oleh rakan sekerja Ma, profesor astronomi UC Berkeley Leo Blitz, dan kumpulan penyelidikannya, antara lain.
Ma berharap bahawa cara baru untuk melihat gerakan bahan gelap dapat menyelesaikan masalah ini dan teori segiempat dengan pemerhatian. Dalam artikel Kajian Fisiknya, yang dibahas pada pertemuan awal tahun ini Persatuan Fizikal Amerika, dia membuktikan bahawa gerakan bahan gelap dapat dimodelkan seperti gerakan Brown yang dijelaskan oleh ahli botani Robert Brown pada tahun 1828 dan Albert Einstein menjelaskan dalam seminal 1905 kertas yang membantunya mengumpulkan Hadiah Nobel Fizik 1921.
Gerakan Brown pertama kali digambarkan sebagai jalan zigzag yang dilalui oleh sebiji debunga yang terapung di dalam air, didorong oleh molekul air yang bertembung dengannya. Fenomena itu merujuk kepada pergerakan debu di udara dan gumpalan bahan gelap di alam jirim gelap, kata Ma.
Wawasan ini "mari kita menggunakan bahasa yang berbeza, sudut pandangan yang berbeza daripada pandangan biasa," untuk menyelidiki pergerakan dan evolusi bahan gelap, katanya.
Ahli astronomi lain, seperti profesor astronomi UC Berkeley emeritus Ivan King, telah menggunakan teori gerakan Brown untuk memodelkan pergerakan beratus-ratus ribu bintang dalam kelompok bintang, tetapi ini, kata Ma, "adalah pertama kalinya ia diterapkan dengan tepat ke skala kosmologi yang besar. Ideanya adalah bahawa kita tidak peduli dengan tepat di mana gumpalan itu, tetapi sebaliknya, bagaimana gumpalan bertindak secara statistik dalam sistem, bagaimana mereka menyebarkan secara graviti. "
Ma menyatakan bahawa gerakan gumpalan Brownian diatur oleh persamaan, persamaan Fokker-Planck, yang digunakan untuk memodelkan banyak proses stokastik atau rawak, termasuk pasar saham. Ma dan kolaborator sedang berusaha menyelesaikan persamaan ini untuk perkara gelap kosmologi.
"Adalah mengejutkan dan menggembirakan bahawa evolusi bahan gelap, evolusi rumpun, mematuhi persamaan sederhana, berusia 90 tahun," katanya.
Karya ini disokong oleh Pentadbiran Aeronautik dan Angkasa Negara.
Sumber Asal: UC Berkeley
