新しいシミュレーションでは、ダークマターが見えたらどのように見えるかを正確に示します

目に見えないものをどのように勉強しますか? これは暗黒物質を研究する天文学者が直面する課題です。 ダークマターは宇宙の全物質の85%を占めますが、光と相互作用しません。 それは光や他の物質に及ぼす重力の影響を通してのみ見ることができます。 さらに悪いことに、地球上の暗黒物質を直接検出する取り組みはこれまで成功していません。

暗黒物質のとらえどころのない品質にもかかわらず、私たちはそれについていくつかのことを学びました。 暗いだけでなく、寒いことも知っています。 その結果、それは一緒に凝集し、銀河団の種を形成します。 また、銀河の周りにハローを形成することが多く、銀河の質量の大部分を占めています。 ただし、ダークマターについては未だ多くの未回答の質問があるため、天文学者はしばしばダークマターの新しいモデルを開発し、観測と比較して精度をテストします。

これを行う1つの方法は、高度なコンピュータシミュレーションによるものです。 最近、ハーバード&スミソニアン宇宙物理学センターのチームが暗黒物質宇宙の詳細なシミュレーションを実行しましたが、驚くべき結果が得られました。

南極のアイスキューブニュートリノ検出器がWIMPを検索しました。 クレジット:IceCube Collaboration / NSF

暗黒物質シミュレーションの精度は、暗黒物質についての仮定に依存します。 この場合、チームは暗黒物質が 弱く相互作用する大きな粒子(WIMP) 質量は陽子の約100倍です。 WIMPはダークマターの最も一般的な理論の1つです。 WIMP暗黒物質の同様のコンピューターシミュレーションは以前に行われています。 それでも、これは解像度が非常に高く、30桁の規模で機能をシミュレートしました。

このシミュレーションでは、私たちが観察しているように、銀河の周りのハローに暗黒物質が形成されました。 しかし興味深いことに、ハローは小さな惑星質量のハローから銀河のハロー、銀河団の周りに形成される巨大なハローまで、すべての質量スケールで発達することもわかりました。 これらのハローは同様の構造をしており、中心に向かって最も密になり、端でより拡散します。 これがすべてのスケールで発生するという事実は、それを暗黒物質の明白な特徴にします。

シミュレーションは、すべてのスケールで暗い母性ハローを示しています。 クレジット:J. Wang; S.ボーズ/天体物理学センター

小さなハローは、光に対する重力の影響で検出するには小さすぎますが、暗黒物質がそれ自体とどのように相互作用するかを知ることができます。 暗黒物質に関する1つのアイデアは、暗黒物質の粒子が衝突すると、ガンマ線を放出するというものです。 一部のガンマ線観測は、 銀河の中心から来る過剰なガンマ線。これは暗黒物質が原因である可能性があります。 この特定のモデルでは、暗黒物質によって生成されるほとんどのガンマ線は、より小さなハローから来ます。 ハローのスケールはガンマ線のエネルギースペクトルに影響を与えるため、このモデルは、天の川と他の銀河の両方で見られるべきガンマ線の過剰について特定の予測を行います。

ダークマターは、現代の天文学において未解決の最大の問題の1つです。 直接検出したいのですが、それが発生するまで、このようなシミュレーションはダークマターをより深く理解するための最も強力なツールの1つです。

参照: Wang、J.、Bose、S.、Frenk、CS他 「20桁の質量範囲にわたる暗黒物質ハローの普遍的な構造。」 自然 585.7823(2020):39-42。

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