Modelování struktur temné hmoty v počítači

9. červenec 2014

Trojice fyziků z USA a Francie vytvořila na počítači realistickou simulaci rozdělení temné hmoty ve vesmíru. Zjistili, že se pomocí matematiky dají poměrně dobře podchytit zákonitosti, s jakými temná hmota tvoří pomocí gravitačního působení prostorové struktury - konkrétně stěny, vlákna a prázdná místa ve formě bublin.

Podle současných kosmologických a astrofyzikálních představ tvoří tzv. temná hmota asi 22 procent hmotnosti vesmíru. Víme o ní však zatím jen velmi málo a nebyla zatím žádným způsobem přímo detekována. Viditelné svítící hmoty (například ve formě atomů či iontů) je ve vesmíru asi 5krát méně, tedy zhruba jen asi 4-5 procent celkové hmotnosti. Zbývajících 73-74% tvoří tzv. temná energie, o které nevíme téměř vůbec nic.

Přestože temná hmota není přímo vidět, můžeme sledovat a také simulovat její gravitační účinky na jinou hmotu. V tomto smyslu se nijak neliší od hmoty viditelné. Dá se také říci, že struktury temné hmoty významně ovlivňují, jak se v prostoru strukturuje svítící hmota, tedy galaxie, jejich kupy či nadkupy. Síť neviditelné hmoty je jakousi osnovou pro rozložení hmoty viditelné. A v neposlední řadě elementy temné hmoty samozřejmě ovlivňují i své vlastní rozložení v prostoru.

Fyzikové Hamaus, Sutter a Wandelt, jejichž práce vyšla v časopisu Physical Reviews Letters, zjistili, že rozložení hustoty temné hmoty v rámci bublin, které tato hmota vytváří, lze vyjádřit pomocí jediné empiricky nalezené funkce, která platí s poměrně velkou přesností pro bubliny všech rozměrů, tvarů i všech stáří (nebo také vzdáleností od našeho místa ve vesmíru, protože se vzrůstající vzdáleností se díváme do stále větší minulosti vesmíru). Průběh této funkce závisí s velkou přesností pouze na dvou nezávislých volných proměnných.

Kolem středů bublin je zpravidla hustota temné hmoty minimální a naopak maxima tato hustota nabývá na hranicích bublin, v jejich “stěnách”. Temná hmota se chová prakticky jako gravitačně formovaný plyn, kdy se jeho částice zesíleně koncentrují převážně do podoby tenkých plátků či vláken, zatímco většina míst v prostoru zůstává prázdná či zaplněná jen řídce. Hmota se zkrátka ochotněji koncentruje tam, kde už je jí předtím hodně. Vědci zahrnuli do svých propočtů kromě přitažlivého gravitačního působení temné hmoty také “odpuzující” vliv temné energie. Tento model proto může nepřímo testovat i míru vlivu temné energie, který je dominantní právě v oblasti prázdných míst. Na vznik a vlastnosti bublin mělo také na začátku jejich vývoje vliv tzv. inflační stadium v rané fázi vývoje vesmíru.

Zdroje: Phys.Org, LJMU, Inside Science, Physical Reviews Letters, arXiv

autor: Pavel Vachtl
Spustit audio