Uma equipe de pesquisa liderada pela USC criou uma série de gêmeos simulados ao supercomputador de nossa galáxia da Via Láctea-que poderia ajudar os cientistas a desbloquear novas respostas sobre um dos maiores mistérios do universo: Matéria escura, a substância invisível que representa cerca de 85% de toda a matéria existente.
A pesquisa foi liderada pela cosmologista Vera Gluscevic, que é professora associada da USC Dornsife College of Letters, Arts e Sciences; bem como Ethan Nadler, anteriormente um pós -doutorado na USC e na Carnegie Observatories, que agora é professora assistente da Universidade da Califórnia, San Diego; e Andrew Benson, cientista da equipe da Carnegie Observatories.
Eles chamaram seu projeto de simulação de “Cozmic”-abreviação de “simulações cosmológicas com zoom com condições iniciais além da matéria escura fria”.
Os cientistas sabem há décadas que a matéria escura existe – mas até agora, não podiam estudar como as galáxias nascem e evoluem em um universo onde a matéria escura e normal interage. Cozmic tornou isso possível, disse a equipe.
O desenvolvimento de resultados Cozmic e da equipe são descritos em um trio de estudos publicados em 16 de junho no Astrophysical Journal, uma publicação da Sociedade Astronômica Americana.
O coração da matéria escura
Os cientistas sabem que a matéria escura é real porque afeta como as galáxias se movem e se juntam. Por exemplo, as galáxias giram tão rápido que devem se separar, mas não o fazem. Algo invisível os mantém unidos; Muitos cientistas acreditam que a matéria escura está no centro disso – uma idéia sugerida pela primeira vez em 1933 por um pesquisador suíço, Fritz Zwicky. A pesquisa sobre matéria escura evoluiu desde então.
A matéria escura é complicada de estudar porque não emite nenhuma luz ou energia que possa ser facilmente detectada. Os cientistas estudam a matéria escura observando como isso afeta movimentos e estruturas como galáxias. No entanto, isso é um pouco como estudar a sombra de alguém sem poder examinar em detalhes a pessoa real que lançou a sombra.
Para o conjunto de estudos, a equipe de pesquisa deu o passo de implantar uma nova física – não apenas a física e a relatividade de partículas padrão – e programou um supercomputador para criar simulações cosmológicas muito detalhadas por meio de simulações conceituadas para testar idéias diferentes sobre o que a matéria escura poderia estar fazendo.
“Queremos medir as massas e outras propriedades quânticas dessas partículas, e queremos medir como elas interagem com todo o resto”, disse Gluscevic. “Com Cozmic, pela primeira vez, podemos simular galáxias como a nossa sob leis físicas radicalmente diferentes – e testar essas leis contra observações astronômicas reais”.
Além de Glusevic, Nadler e Benson, a equipe por trás do Cozmic inclui Hai-Bo Yu da UC Riverside; DaNeng Yang, anteriormente da UC Riverside e agora no Purple Mountain Observatory CAS; Xiaolong Du da UCLA; e Rui An, anteriormente da USC.
Vários cenários de matéria escura
“Nossas simulações revelam que as observações das menores galáxias podem ser usadas para distinguir modelos de matéria escura”, disse Nadler.
Para os estudos com Cozmic, os cientistas foram responsáveis pelos seguintes cenários de comportamento da matéria escura:
- Modelo de bola de bilhar: Neste primeiro estudo, todas as partículas de matéria escura colidem com prótons no início do universo, assim como as bolas de bilhar quando são iniciadas pela primeira vez. Essa interação suaviza estruturas de pequena escala e elimina galáxias satélites na Via Láctea. O estudo também inclui cenários em que a matéria escura se move em alta velocidade e outros em que é composto por partículas de massa extremamente baixa.
- Modelo do setor misto: Este segundo estudo é um cenário híbrido no qual algumas partículas de matéria escura interagem com a matéria normal, mas outras passam por ela.
- Modelo de Interagência Auto-interagiu: Para este terceiro estudo, os cientistas simularam um cenário em que a matéria escura interage consigo mesma no início dos tempos e hoje, modificando a formação da galáxia na história cósmica.
Ao executar essas simulações, os cientistas inseram nova física no supercomputador para produzir uma galáxia cuja estrutura carrega as assinaturas dessas interações entre matéria normal e escura, disse Benson.
Gluscevic acrescentou: “Embora muitos suítes de simulação anteriores tenham explorado os efeitos da massa da matéria escura ou auto-interações, até agora, nenhum simulou interações de matéria escura com matéria normal. Tais interações não são exóticas ou implausíveis. Eles são, de fato, provavelmente existam”.
Um novo dia para matéria escura
A equipe diz que é um grande passo à frente para descobrir o que realmente é a matéria escura. Eles esperam que, comparando suas galáxias gêmeas com imagens reais do telescópio, possam se aproximar ainda mais de resolver um dos maiores mistérios do espaço.
“Finalmente podemos perguntar: ‘Qual versão do universo se parece mais com a nossa?'”, Disse Gluscevic.
A equipe Cozmic planeja expandir seu trabalho testando diretamente as previsões de suas simulações com dados do telescópio para que possam descobrir assinaturas do comportamento da matéria escura em galáxias reais.
Este próximo estágio poderia aproximar os cientistas do que nunca para entender o que é a matéria escura e como molda o cosmos.
