Astronomija

Da li bi neotkrivene manje crne rupe u galaksijama mogle biti objašnjenje tamne materije?

Da li bi neotkrivene manje crne rupe u galaksijama mogle biti objašnjenje tamne materije?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Koliko sam pročitao, s obzirom na brzinu zvijezda koje se okreću unutar galaksije i poznatu masu, brzina zvijezda je prebrza da bi mogla ostati u orbiti. Za objašnjenje je predložena tamna materija, ali je li moguće da postoje neotkrivene manje crne rupe bez zvijezda u orbiti?


Smatra se da MACHO-ovi (masivni kompaktni halo-objekti) čine dio tamne mase, a smatra se da su dio njih crne rupe, ali postoji nekoliko vrlo čvrstih razloga zašto se crne rupe obično ne smatraju ozbiljnim alternativnim objašnjenjem ne- barionska tamna materija:

1) Uočene količine elemenata nisu u skladu s količinom barionske materije koja se stvara u ranom svemiru da bi se objasnila tamna masa

2) Microlensing potraga za MACHO-ima veličine crnih rupa nastalih zvezdanom evolucijom isključuje ih kao stvaranje značajne količine tamne materije u Mliječnom putu.

3) Crne rupe su uočljive nagomilavanjem. Da bi crne rupe napravile značajnu količinu tamne materije, morale bi biti na izoliranim lokacijama u galaksiji kako ne bi bile vidljive. Međutim, većina tamne materije mora biti ravnomjerno raspoređena po Mliječnom putu kako bi se objasnila krivulja rotacije.


Crne rupe kao tamna materija? Evo zašto se ideja razdvaja

Masivna crna rupa koja odvaja materiju sa obližnje zvijezde. Kredit za sliku: NASA / JPL-Caltech.

Ponekad, kad pogledate Univerzum na nov način, to vas iznenadi. Kada je LIGO saradnja najavila prvo otkrivanje gravitacijskih valova, to je bila slučajnost i potvrda jednog od najdugovječnijih nepotvrđenih predviđanja nauke, ali nije bilo baš iznenađenje. Iznenađujući dio bio je izvor tih gravitacijskih valova: dvije crne rupe od 36 i 29 solarnih masa po komadu, daleko masivnije od crnih rupa koje očekujemo od supernove i daleko manje masivniji od onih u centrima galaksija. Možda bi ovo revitaliziralo ranije nepovoljnu ideju: da su crne rupe postojale vrlo rano u Svemiru, nedugo nakon Velikog praska. Štoviše, da je to slučaj, možda su oni sačinjavali masu koja je nedostajala Svemiru: tamnu materiju.

Ilustracija spajanja dvije crne rupe, mase uporedive sa onom što je LIGO vidio. Kredit za sliku: SXS, The. [+] Simulacija eXtreme Spacetimes (SXS) projekta (http://www.black-holes.org).

Ideja je prilično jednostavna: znamo da je Svemir započeo iz vrućeg, gustog, brzo širećeg i otprilike jednolikog stanja. Gdje god da se nalazite, gravitacija će pokušati povući obližnje mase prema vama, dok će pritisak radijacije od fotona pokušati te mase odmaknuti. Ali ako biste na malim razmjerima imali područja prostora koja su bila samo 68% (ili više) gušća od prosjeka, taj pritisak zračenja ne bi bio važan. Umjesto toga, gravitacijski kolaps sve do crne rupe bi bilo neizbježno. Da se to dogodilo na jednoj određenoj skali mase u Univerzumu - recimo na masama od 1 kilograma, ili 10 ^ 10 kilograma, ili čak 30 solarnih masa - završili biste s velikim brojem iskonskih crnih rupa te određene mase . Bili bi rasuti otprilike ravnomjerno po cijelom svemiru, formirali bi velike, difuzne, ali zgužvane oreole oko galaksija i bili bi izvrstan kandidat za tamnu materiju.

Ilustracija grubog haloa tamne materije oko bariona u galaksiji. Kredit za sliku: NASA, ESA,. [+] i T. Brown i J. Tumlinson (STScI).

Čim je ova ideja prvi put predložena, prepoznalo se da postoji niz ograničenja na ovu mogućnost. Kad god masa prolazi između vašeg vidnog polja i udaljenog objekta, ta masa djeluje poput gravitacione leće, zahvaljujući Einsteinovoj relativnosti. Tragalo se za efektom prolaznog gustog, tamnog objekta - poznatog kao mikroosobljenje. Iako se zbog ovih kompaktnih masa u našem galaktičkom oreolu vidi malo sočiva, oni su bili korisniji što se tiče ograničavanja udela materije na većem kraju ovih iskonskih crnih rupa. Pored toga, ako su i crne rupe previše mali u masi će ispariti zbog Hawkingova zračenja. Sve rečeno, zapažanja o

  • nedostatak Hawkingova zračenja,
  • mikrolensiranje gama zračenja,
  • hvatanje neutronske zvijezde u kuglastim nakupinama,
  • tradicionalno mikroleće,
  • i kosmičke infracrvene i mikrotalasne pozadine,

recite nam da ne možemo da iskonske crne rupe čine većinu tamne materije u širokom rasponu mase.

Ograničenja na tamnu materiju iz iskonskih crnih rupa. Kredit za sliku: slika 1 od Fabio Capele,. [+] Maxim Pshirkov i Peter Tinyakov (2013), putem http://arxiv.org/pdf/1301.4984v3.pdf.

Ako pogledate gornji grafikon, naći ćete to

30 sunčevih masa - ili oko 6 × 10 ^ 34 g - je potpuno isključeno, pri čemu samo približno 0,01% tamne materije može postojati s tom masom, najviše. Nedavni članak, međutim, Aleksandra Kašlinskog sumnja u ove ranije tvrdnje o ograničenjima kosmičke infracrvene pozadine i umjesto toga tvrdi da postoji niz izvora koji bi u stvari mogli biti te iskonske crne rupe.

Lijevo: Infracrveni pogled na nebo u Velikoj medvjedi. Desno: poboljšani pogled s poznatim izvorima maskiranim,. [+] prikazuje fluktuacije infracrvene pozadine. Zasluge: NASA / JPL-Caltech / A. Kashlinsky (Goddard).

Umjesto da koristi kozmičku infracrvenu pozadinu za ograničiti iskonske crne rupe, Kashlinsky koristi pretpostavku da one čine 100% tamne materije objasni kosmička infracrvena pozadina:

"ističemo da ako je zaista otkriće LIGO indikativno za PBH-ove koji čine DM, dodatne [.] fluktuacije dovele bi do mnogo većih stopa kolapsa u ranim vremenima, što bi prirodno proizvelo opažene nivoe [kosmičke infracrvene pozadine ] fluktuacije. "

Problem je, na žalost, u tome što postoje druga ograničenja.

Iskonske fluktuacije u kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini. Kredit za sliku: ESA i Planck. [+] Saradnja.

Fluktuacije u kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini (gore) govore nam da ne više od 0,1% ukupne tamne materije može biti u iskonskim crnim rupama na

30 solarnih masa, gdje je jedini argument protiv toga (Bird i sur. (2006) taj da u ovoj fizici postoje neke neizvjesnosti koje nisu kvantificirane, a možda su te nesigurnosti dovoljno velike da se ovoj granici može izbjeći. tačno: ako postoje ove motivirane, ali ne i 100% isključene iskonske crne rupe

30 Sunčevih masa, i ako one čine kosmičku infracrvenu pozadinu i ako je naše razumijevanje radijacionih procesa plina na pokretnu crnu rupu divlje netačno, onda bi možda te crne rupe ipak mogle biti tamna materija. Ali daleko je vjerovatnije drugo objašnjenje.

Svemirski teleskop Hubble stapajućih se zvijezda u srcu magline Tarantula,. [+] najveća regija koja stvara zvijezde poznata u lokalnoj grupi. Zasluge za sliku: NASA, ESA i E. Sabbi (ESA / STScI) Zahvalnica: R. O'Connell (Univerzitet u Virginiji) i Komitet za nadzor nauke Wide Field Camera 3.

Kada proizvodimo zvijezde, to radimo u naletima, a najmasovniji rafali proizvode desetine zvijezda u rasponu od 50 do 250 puta veću masu od Sunca. Sve ove zvijezde završit će svoj život za samo nekoliko miliona godina u supernovima koje se srušavaju u jezgru, a unutarnje jezgro rezultiraće crnom rupom. Iako zvijezde ispod 50 Sunčevih masa vjerovatno proizvode crne rupe oko 10 Sunčevih masa ili čak manje, one najveće mogu stvoriti crne rupe 20, 30, 50 ili čak potencijalno više od 100 puta veće od Sunčeve mase. To je vodeća teorija odakle su potekle ove crne rupe, a s obzirom na to da najmasovnije poznato zvjezdano jato, R136, zapravo sadrži jednu koncentraciju (R136a) sa najmanje 24 neovisne zvijezde, uključujući najmanje šest članova preko 100 Sunčevih masa.

Ogromno zvjezdano jato R136, sa R136a1 u središtu. Slika je dobijena u visokoj rezoluciji. [+] sa MAD adaptivnim optičkim instrumentom na ESO-ovom vrlo velikom teleskopu. Kredit za sliku: ESO / P. Crowther / C.J. Evans.

Dva najmasovnija člana, R136a1 i R136a2, jesu

195 solarnih masa, i lako bi mogle stvoriti crne rupe u rasponu mase LIGO testere, ako ne i veće. Pored toga, oni su međusobno u binarnom sustavu, pa je buduće nadahnuće i spajanje potpuno u domenu razumnog. Svakako, nije 100% isključeno da crne rupe od oko 30 Sunčevih masa mogu biti tamna materija, ali daleko je od najizglednijeg objašnjenja. U fizici, kao i u životu, pametan novac je kladiti se na ono što je već poznato kao najizglednije objašnjenje za novi fenomen koji smo upravo vidjeli. Iako bi maštarije mogućnosti mogle potaknuti našu maštu, oni također najvjerojatnije griješe. Sada znate zašto.


Mogu li crne rupe biti tamna materija?

„[Crna rupa] nas uči da se prostor može zgužvati poput papira u beskonačno malu točku, da se vrijeme može ugasiti kao izgašeni plamen i da zakoni fizike koje smatramo„ svetima “kao nepromjenjive, sve su samo. " -John Wheeler

Ponekad, kad pogledate Univerzum na nov način, to vas iznenadi. Kada je LIGO suradnja najavila prvo otkrivanje gravitacijskih valova, to je bila slučajnost i potvrda jednog od najdugovječnijih nepotvrđenih predviđanja znanosti, ali nije bilo baš iznenađenje. Iznenađujući dio bio je izvor tih gravitacijskih valova: dvije crne rupe od 36 i 29 solarnih masa po komadu, daleko masivnije od crnih rupa koje očekujemo od supernove i daleko manje masivniji od onih u centrima galaksija. Možda bi ovo revitaliziralo ranije nepovoljnu ideju: da su crne rupe postojale vrlo rano u Svemiru, nedugo nakon Velikog praska. Štoviše, da je to slučaj, možda su oni sačinjavali masu koja je nedostajala Svemiru: tamnu materiju.

Ideja je prilično jednostavna: znamo da je Svemir započeo iz vrućeg, gustog, brzo širećeg i otprilike jednolikog stanja. Gdje god da se nalazite, gravitacija će pokušati povući obližnje mase prema vama, dok će pritisak radijacije od fotona pokušati te mase odmaknuti. Ali ako biste na malim razmjerima imali svemirska područja koja su samo 68% (ili više) gušća od prosjeka, taj pritisak zračenja ne bi bio važan. Umjesto toga, gravitacijski kolaps sve do crne rupe bi bilo neizbježno. Da se to dogodilo na jednoj određenoj skali mase u Univerzumu - recimo na masama od 1 kilograma, ili masama od 10 kilograma, ili čak 30 solarnih masa - završili biste s velikim brojem iskonskih crnih rupa te određene mase. Bili bi raspršeni otprilike ravnomjerno po cijelom svemiru, stvorili bi velike, difuzne, ali zgužvane oreole oko galaksija i bili bi izvrstan kandidat za tamnu materiju.

Čim je ova ideja prvi put predložena, prepoznalo se da postoji niz ograničenja na ovu mogućnost. Kad god masa prolazi između vašeg vidnog polja i udaljenog objekta, ta masa djeluje poput gravitacijske leće, zahvaljujući Einsteinovoj relativnosti. Tragalo se za efektom prolaznog gustog, tamnog objekta - poznatog kao mikroosobljenje. Iako se zbog ovih kompaktnih masa u našem galaktičkom oreolu vidi malo sočiva, oni su bili korisniji što se više ograničavaju koliki bi udio materije mogao biti na većem kraju tih iskonskih crnih rupa. Uz to, ako su i crne rupe previše mali u masi će ispariti zbog Hawkingova zračenja. Sve rečeno, zapažanja o

  • nedostatak Hawkingova zračenja,
  • mikrolensiranje gama-zračenja,
  • hvatanje neutronske zvijezde u kuglastim nakupinama,
  • tradicionalno mikroleće,
  • i kosmičke infracrvene i mikrotalasne pozadine,

recite nam da ne možemo da iskonske crne rupe čine većinu tamne materije u širokom rasponu mase.

Ako pogledate gornji grafikon, naći ćete to

30 sunčanih masa - ili oko 6 × 10³⁴ g - je potpuno isključeno, pri čemu samo približno 0,01% tamne materije može postojati s tom masom, najviše. Međutim, nedavni članak Aleksandra Kašlinskog sumnja u ove ranije tvrdnje o ograničenjima kosmičke infracrvene pozadine i umjesto toga tvrdi da postoji niz izvora koji bi u stvari mogli biti te iskonske crne rupe.

Umjesto da koristi kozmičku infracrvenu pozadinu za ograničiti iskonske crne rupe, Kashlinsky koristi pretpostavku da one čine 100% tamne materije objasni kosmička infracrvena pozadina:

„Ističemo da, ako je zaista otkriće LIGO indikativno da PBH čine DM, dodatne [...] fluktuacije dovele bi do mnogo većih stopa kolapsa u ranim vremenima, što bi prirodno proizvelo zapažene nivoe [kosmičke infracrvene pozadine ] fluktuacije. "

Problem je, na žalost, u tome što postoje druga ograničenja.

Fluktuacije u kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini (gore) govore nam da ne više od 0,1% ukupne tamne materije može biti u iskonskim crnim rupama na

30 solarnih masa, gdje je jedini argument protiv toga (Bird i sur. (2006) taj da u ovoj fizici postoje neke neizvjesnosti koje nisu kvantificirane, a možda su te nesigurnosti dovoljno velike da se ovoj granici može izbjeći. tačno: ako postoje ove motivirane, ali ne i 100% isključene iskonske crne rupe

30 Sunčevih masa, i ako one čine kosmičku infracrvenu pozadinu i ako je naše razumijevanje radijacionih procesa plina na pokretnu crnu rupu divlje netačno, onda bi možda te crne rupe ipak mogle biti tamna materija. Ali daleko je vjerovatnije drugo objašnjenje.

Kada proizvodimo zvijezde, to radimo u naletima, a najmasovniji rafali proizvode desetine zvijezda u rasponu od 50 do 250 puta veću masu od Sunca. Sve ove zvijezde završit će svoj život za samo nekoliko miliona godina u supernovima koje se srušavaju u jezgru, a unutarnje jezgro rezultiraće crnom rupom. Iako zvijezde ispod 50 Sunčevih masa vjerovatno proizvode crne rupe oko 10 Sunčevih masa ili čak manje, one najveće mogu stvoriti crne rupe 20, 30, 50 ili čak potencijalno više od 100 puta veće od Sunčeve mase. To je vodeća teorija odakle su potekle ove crne rupe, a s obzirom na to da najmasovnije poznato zvjezdano jato, R136, zapravo sadrži jednu koncentraciju (R136a) s najmanje 24 neovisne zvijezde, uključujući najmanje šest članova preko 100 Sunčevih masa.

Dva najmasovnija člana, R136a1 i R136a2, jesu

195 solarnih masa, i lako bi mogle stvoriti crne rupe u rasponu mase LIGO testere, ako ne i veće. Osim toga, oni su međusobno u binarnom sustavu, tako da je buduće nadahnuće i spajanje potpuno u sferi razumnog. Svakako, nije 100% isključeno da crne rupe od oko 30 Sunčevih masa mogu biti tamna materija, ali daleko je od najizglednijeg objašnjenja. U fizici, kao i u životu, pametni novac je kladiti se na ono što je već poznato kao najizglednije objašnjenje za novi fenomen koji smo upravo vidjeli. Iako bi nam fantastičnije mogućnosti mogle potaknuti maštu, oni također najvjerojatnije griješe. Sada znate zašto.


Nova mapa tamne materije otkriva neotkrivene mostove između galaksija

Koristeći mašinsko učenje, astrofizičari iz države Penn State stvorili su novu mapu tamne materije u lokalnom svemiru. Ova mapa otkrila je neotkrivene filamentarne strukture koje povezuju galaksije.

Vremenom se svemir neprestano širi. Ovim širenjem, složenost svemira se takođe povećala, pa je prilično izazovno mjeriti lokalnu tamnu materiju.

U prošlim studijama naučnici su koristili model - ranog svemira i evolucije tokom milijardi godina - da bi stvorili mapu kosmičke mreže. Iako je ova metoda računski intenzivna i nije uspjela dati rezultate dovoljno detaljne da bi se vidio lokalni univerzum.

U ovom novom istraživanju astrofizičari su koristili potpuno drugačiji pristup: koristili su mašinsko učenje za izgradnju modela koji koristi informacije o raspodjeli i kretanju galaksija za predviđanje raspodjele tamne materije.

Model je napravljen i obučen korištenjem velikog skupa simulacija galaksija, nazvanog Illustris-TNG. Skup podataka sadrži galaksije, plinove, drugu vidljivu tvar, kao i tamnu tvar.

Pažljivim odabirom simuliranih galaksija uporedivih sa onima na Mliječnom putu, tim je uspio utvrditi koja su svojstva galaksija potrebna za predviđanje raspodjele tamne materije.

Donghui Jeong, izvanredni profesor astronomije i astrofizike u državi Penn State i odgovarajući autor studije, rekao je, & # 8220Kada dobije određene informacije, model u osnovi može popuniti praznine na osnovu onoga što je prije gledao. Mapa naših modela ne odgovara savršeno simulacijskim podacima, ali još uvijek možemo rekonstruirati vrlo detaljne strukture. Otkrili smo da je uključivanje kretanja galaksija & # 8212 njihove osobite radijalne brzine & # 8212 pored njihove distribucije drastično poboljšalo kvalitet karte i omogućilo nam da vidimo ove detalje. & # 8221

Model je zatim primijenjen na stvarne podatke iz lokalnog svemira iz kataloga galaksije Cosmicflow-3. Katalog sadrži sveobuhvatne podatke o distribuciji i kretanju više od 17 hiljada galaksija u blizini Mliječnog puta & # 8212 u krugu od 200 megaparseka.

Mapa je sukcesivno reproducirala poznate istaknute strukture u lokalnom svemiru, uključujući & # 8220lokalni list & # 8221 & # 8212 regiju svemira koja sadrži Mliječni put, obližnje galaksije u & # 8220lokalnoj grupi & # 8221 i galaksije u jatu Djevica & # 8212 i & # 8220lokalna praznina & # 8221 & # 8212 relativno prazno područje prostora pored lokalne grupe. Pored toga, identificirao je nekoliko novih struktura koje zahtijevaju daljnje istraživanje, uključujući manje nitaste strukture koje povezuju galaksije.

Jeong je rekao, & # 8220Postavljanjem lokalne mape kosmičke mreže otvara se novo poglavlje kosmoloških studija. Možemo proučavati kako se distribucija tamne materije odnosi na druge podatke o emisijama, što će nam pomoći da shvatimo prirodu tamne materije. A te filamentarne strukture možemo proučavati direktno, te skrivene mostove između galaksija. & # 8221

& # 8220Istudiranje niti tamne materije koje povezuju dvije galaksije moglo bi pružiti važan uvid u njihovu budućnost. & # 8221

& # 8220 Budući da tamna materija dominira dinamikom svemira, ona određuje našu sudbinu. Tako možemo tražiti od računara da evoluira mapu milijardama godina kako bi vidio šta će se dogoditi u lokalnom svemiru. A model možemo razviti u prošlost da bismo razumjeli istoriju našeg kosmičkog susjedstva. & # 8221

Dodavanjem podataka o više galaksija, naučnici se raduju poboljšanju tačnosti karte.

Ovo istraživanje djelomično je podržala Korejska nacionalna istraživačka fondacija koju su financirali Korejsko Ministarstvo obrazovanja, Korejsko Ministarstvo znanosti, Američka Nacionalna fondacija za znanost, Američki program teorije astronomije Aeronautike i svemirske administracije i Centar za napredno računanje na Korejskom institutu za napredne studije.

Ostali koautori studije uključuju Sungwook Hong sa Univerziteta u Seulu / Korejski institut za astronomiju i svemirske nauke u Koreji, Ho Seong Hwang sa Nacionalnog univerziteta u Seulu u Koreji i Juhan Kim Korejski institut za napredne studije.


Porijeklo supermasivnih crnih rupa? & # 8211 & # 8220 Centri za tamne materije ranih galaksija & # 8221

Novo teorijsko istraživanje predložilo je prirodno objašnjenje kako su supermasivne crne rupe jednom opisane kao „najsavršeniji makroskopski objekti u svemiru, jedini elementi u njihovoj konstrukciji su naši koncepti prostora i vremena & # 8221 & # 8211 formirani u ranim vremenima Svemir. Prijedlog je postojanje stabilnih galaktičkih jezgri izrađenih od tamne materije okružene razrijeđenim haloom tamne materije koje se toliko koncentriraju kada se dostigne kritični prag da se uruše u supermasivne objekte.

Objašnjava rano postojanje ubrzo nakon Velikog praska

Ova neustrašiva nagađanja eliminiraju potrebu za brzim nastankom zvijezda i # 8221 rješavajući jedan od najvećih problema u današnjem proučavanju evolucije galaksija: kako bi supermasivne crne rupe uočene već 800 miliona godina nakon Velikog praska mogle tako brzo rasti.

Kraljevsko astronomsko društvo izvještava da je međunarodni tim otkrio da bi se, umjesto konvencionalnih scenarija formacije koji uključuju & # 8216normalnu & # 8217 materiju, supermasivne crne rupe mogle direktno formirati iz tamne materije u regijama velike gustine u središtu galaksija, izazivajući prihvaćeni model barionska materija & # 8211 atomi i elementi koji čine zvijezde, planete i sve vidljive predmete & # 8211 urušavajući se pod gravitacijom formirajući crne rupe, koje vremenom rastu ..

& # 8220Ovaj novi scenarij formiranja, & # 8221 kaže Carlos R. Argüelles, istraživač na Universidad Nacional de La Plata i ICRANetu koji je vodio istragu, & # 8220može ponuditi prirodno objašnjenje kako su supermasivne crne rupe nastale u ranom svemiru, bez zahtijeva prethodno formiranje zvijezda ili treba pozivati ​​crne rupe sjemena s nerealnim stopama prirasta. & # 8221

Patuljasta galaksija tamne materije oponaša konvencionalne središnje crne rupe

Još jedna intrigantna posljedica novog modela je da kritična masa za kolaps u crnu rupu možda neće biti dostignuta za manje oreole tamne materije, na primjer one koji okružuju neke patuljaste galaksije, ostavljajući manje patuljke sa središnjom jezgrom tamne tvari, a ne s očekivanom crnom rupa. Takva jezgra tamne materije još uvijek može oponašati gravitacijske potpise konvencionalne središnje crne rupe, dok bi vanjski oreol tamne materije također mogao objasniti opažene krivulje rotacije galaksije.

Ključ oreola tamne materije

& # 8220Ovaj model pokazuje kako bi oreoli tamne materije mogli sadržavati guste koncentracije u svojim centrima, što bi moglo igrati presudnu ulogu u razumijevanju nastanka supermasivnih crnih rupa, & # 8221 dodao je Carlos.

& # 8220Ovdje smo prvi put dokazali da takve raspodjele tamne tvari u jezgri-halo zaista mogu nastati u kosmološkom okviru i ostati stabilne za život Svemira. & # 8221

Autori se nadaju da će dalja istraživanja baciti više svjetla na supermasivno stvaranje crne rupe u najranijim danima našeg Svemira, kao i istražiti mogu li centri neaktivnih galaksija, uključujući naš vlastiti Mliječni put, biti domaćin tim gustim mračnim jezgra materije.

Dnevna galaksija sa Maxwellom Moeom, NASA-inim Einsteinovim saradnikom, Univerzitet u Arizoni, preko Kraljevskog astronomskog društva

Slika na vrhu stranice: Otkriće napravljeno pomoću velikog milimetarskog / submilimetarskog niza Atacama masivne rotirajuće diskovne galaksije, Wolfe Diska, vidi se kada je Svemir bio samo deset posto svoje trenutne starosti, što izaziva tradicionalne modele galaksije formacija.

Vaš besplatni popravak priča o svemiru i nauci dva puta tjedno i # 8211 slučajno putovanje s planete Zemlje kroz kosmos koji ima kapacitet pružiti tragove o našem postojanju i dodati prijeko potrebnu kozmičku perspektivu u našoj antropocenskoj epohi.


Misterija 11 nebuhastih patuljaka

Brandtovo zanimanje započelo je relativno nedavnim otkrićima malih, naizgled vrlo starih i ultra slabih zvjezdanih jata.

Neke od ovih nakupina su dovoljno velike da se mogu nazvati patuljastim galaksijama, ali su milijardama puta tamnije od većih galaksija. Smatra se da su takvi ultrablagi patuljci nevjerovatno česti, kaže Brandt, možda nadmašujući broj vidljivih galaksija za 10 ili 100 prema jedan.

Gotovo sve njihove mlade, sjajne zvijezde izgorjele su tijekom eona, zbog čega je te ultra slabe patuljaste galaksije tako teško pronaći.

"Ako gledate vlastitim očima, nikada ih ne biste vidjeli", rekao je Brandt, napominjući da mogu biti male kao nekoliko hiljada zvijezda. "Te stvari pronalazimo tek desetak godina pomoću računarskih algoritama."

Ono što ih je Brandtu učinilo toliko zanimljivima jeste da neki od ovih klastera uopće postoje.

Masovno je naš vlastiti Mliječni put negdje između 70% i 80% tamne materije - većina ga vreba blizu vanjskog ruba galaksije. U međuvremenu, ultrablage patuljaste galaksije otprilike su 99% tamne materije.

"Tamna materija ih drži na okupu i sprečava ih da se raziđu", rekao je Brandt za Business Insider.

I tu je Brandt shvatio da može vidjeti postoji li tamo gomila starih crnih rupa između 20 i 100 puta veće od mase sunca (raspon veličina za MACHO-ove koji tek treba isključiti). Ako je to slučaj, ubrzavali bi zvijezde dok su prolazili u blizini, uzrokujući da cijelo jato ili galaksija "puhne" prema van tokom milijardi godina.

Difuzni oblak čestica tamne materije, s druge strane, zadržao bi klaster zalepljen.

Eri II je patuljasta galaksija stara 3 do 12 milijardi godina koju su astronomi jedva i nedavno primijetili kako se druži u blizini naše mnogo veće galaksije Mliječni put.

Brandtovi proračuni pokazuju da ako je tamna materija jata načinjena od MACHO-a, tada bi se odavno ispuhala i izblijedjela u Eri II.

Ali tu je bilo: malo, prigušeno, drevno jato zvijezda koje je bilo previše zbijeno, kao i njegova matična galaksija.

Primijetio je da bi 10 patuljastih galaksija koje su slične Eri II trebale postupiti isto, ali da "ne vidimo napuhane ultra-slabe patuljaste galaksije."

"Ova nakupina mogla bi biti slučajnost. Ali ako pogledate sve ostale patuljaste galaksije, ne vidim kako bi [tamna materija] mogle biti crne rupe između 20 i 100 Sunčevih masa", rekao je Brandt.


& # 8220Kretnje velikog praska & # 8221 & # 8211Da li su iskonske crne rupe stvorile tamnu materiju?

"Zaista je uzbudljivo u vezi s iskonskim crnim rupama da postoji toliko mnogo misterija koje bi u principu mogli objasniti", kaže kolega Stephen Hawking & # 8217, fizičar Bernard Carr. & # 8220Nije najmanje od njih postojanje tamne materije i tamne energije. & # 8221 & # 8220Jedna uzbudljiva mogućnost je da je populacija iskonskih crnih rupa možda stvorila tamnu materiju u ranom svemiru, & # 8221 odgovorio je Dan Hooper, šefa teorijske astrofizičke grupe u Fermilabu na e-mail od Daily Galaxy, pitajući Hoopera koja bi se nova fizika mogla otkriti otkrićem ovih neuhvatljivih relikvija. & # 8220Da su ove crne rupe u početku bile lakše od milion kilograma ili tako nekako, & # 8221 dodao je Hooper, & # 8220isparavale bi u prvoj sekundi nakon Velikog praska. U procesu ovog isparavanja mogli su stvoriti bilo koji broj egzotičnih oblika materije i energije, uključujući tamnu tvar. & # 8221

Planck-Mass relikvije

Iskonske crne rupe - # 8212 Relikvije masivne mase isparavanja crnih rupa - # 8211 stvorene direktnim kolapsom iskonskog zračenja, djelić sekunde nakon Velikog praska, mogle su uvući zrake okolnog svjetla prije nego što se sruše u crne rupe, piše Leah Crane za New Scientist. Ako su iskonske crne rupe stvarne, one imaju potencijal da riješe čitav niz najvećih problema u kozmologiji. A također bi i # 8217d bili izuzetno sjajni, tweetala je.

& # 8220Kranih 1990-ih, & # 8221 pišu Hooper i Gianfranco Bertone u Povijesti tamne materije, & # 8220 postalo je jasno da barionska tamna tvar ne čini veliki dio tamne materije Univerzuma. Iako se čini da ovi rezultati impliciraju da se tamna tvar mora sastojati od jedne ili više novih vrsta čestica, ostaje upozorenje za ovaj zaključak: tamna tvar može se umjesto toga sastojati od crnih rupa nastalih prije epohe nukleosinteze Velikog praska i s masama ispod opseg osetljivosti anketa o mikrolensiranju. & # 8221

"Koliko crna rupa živi ovisi o njenoj masi: što je manja, to je kraća", kaže Francesca Vidotto sa Univerziteta Baskije u Španiji. Ubrzano isparavanje iskonskih crnih rupa čini ih očiglednim mjestom za traženje tragova zračenja, koje su predložili Stephen Hawking i Bernard Carr 1974. godine, zbog čega se polako smanjuju i na kraju isparavaju, trepereći svjetlima u kosmičkoj zori.

Iako se tamna materija smatra okosnicom strukture svemira, naučnici malo znaju o njenoj prirodi, jer su čestice do sada izbjegavale otkrivanje. Više od 40 godina nakon Hawkingove teorije zračenja, takvi tragovi nisu uočeni. Zaista, kaže astrofizičar Tommi Tenkanen sa Univerziteta Johns Hopkins, "Ne znamo šta je tamna materija, ali ako ima ikakve veze sa skalarnim česticama, možda je starija od Velikog praska."

WIMPS vs MACHOS

Naučnici su uvjereni da tamna materija postoji jer se efekti njene gravitacije mogu vidjeti u rotaciji galaksija i u načinu na koji se svjetlost savija dok putuje kroz svemir. Smatra se da WIMP-ovi ili masivne čestice slabo u interakciji, koji su među vodećim kandidatima za tamnu materiju, u vrlo rijetkim prilikama u interakciji s drugom materijom, zbog čega ih tek treba otkriti.

1970. godine fizičar Ken Freeman donio je upečatljiv zaključak. Otkrio je da & # 8220ako su [podaci] tačni, onda u tim galaksijama mora postojati dodatna materija koja nije otkrivena, bilo optički bilo na 21 cm. Njegova masa mora biti najmanje toliko velika kao masa otkrivene galaksije, a njena raspodjela mora biti prilično različita od eksponencijalne raspodjele koja vrijedi za optičku galaksiju. & # 8221

Od Freemana, galaksije su primijećene kako se okreću brže nego što bi trebale dati svu vidljivu materiju u sebi, što je navelo kozmologe da vjeruju da se nevidljiva "tamna" materija vreba i unutar ovih galaksija, dajući im gravitacijsku teret koja im je potrebna da se vrte na brzine koje vidimo bez razdvajanja.

„Primordijalne crne rupe (PBH) zasad ostaju hipotetički objekti“, nakon direktnih promatranja gravitacionih valova od strane VIRGO i LIGO detektora 2016. godine, kaže Alvise Raccanelli iz CERN-a. „Prvobitno predloženi od Stephena Hawkinga 1971. godine, oni su se posljednjih godina vratili u prvi plan kao mogući kandidati za objašnjavanje tamne materije. Traženje dokaza o postojanju PBH ili isključivanje njihovog postojanja pruža nam informacije o fizici iskonskog svemira.

Možda je najzanimljivija opcija da bi iskonske crne rupe mogle same stvarati čestice tamne materije kroz Hawkingovo zračenje. Hwking je predvidio da je veća od ove crne rupe niža temperatura, što znači da emitira manje i lakše čestice. Kako se smanjuje, zagrijava se, zračeći sve više i više energije. To znači da male iskonske crne rupe mogu izbacivati ​​masivne, složene čestice.

"Vrste čestica koje generira Hawkingova zračenja ne ovise o materijalu koji padne u crnu rupu", kaže Hooper. „Crnu rupu nije briga kakva ste čestica, jednako je vjerojatno da ćete biti stvoreni. To uključuje tamnu materiju i sve ostalo. " Kakve god čestice postojale, bilo da ih predviđa standardni model fizike čestica ili ne, prvobitne crne rupe trebale bi emitirati dok isparavaju. Drevne crne rupe dale bi nam pristup fizici koju inače nikada ne bismo mogli raditi ”

Preferirani kandidat, piše Leah Green, & # 8220 dugo je imao ogroman broj sitnih čestica, od kojih svaka ima masu, ali nema sposobnost interakcije s običnom materijom. Yet although these weakly interacting massive particles, or WIMPs, remain the theoretical front runners, they have yet to show up in experiments, which is why physicists are now looking back at primordial black holes as a possible answer”

If WIMPs are found not to make up dark matter, MACHOs: massive compact halo objects, are ready to take their place. It has been theorized that dark matter could be made of these are large objects that float freely through space and emit little if any radiation, which would explain why we haven’t seen them. Neutron stars and starless planets have been proposed as MACHOs, as have primordial black holes.

“Primordial black holes are my favourite explanation for dark matter,” says Vidotto. Astronomical observations, however, have concluded that they are unlikely to account for all of dark matter, which means there must be something else out there to pick up the slack. If WIMPs made up the other part, we would expect them to surround every primordial black hole, drawn in by its gravitational pull. That higher density of WIMPs would increase the probability of WIMP-WIMP collisions, generating a distinctive shower of gamma rays that has never been seen.

“If one day we discovered even a few primordial black holes, you just have to concede that whatever dark matter is, not all of it is made of WIMPs,” says Dan Hooper, head of the theoretical astrophysics group at Fermilab in Illinois.

“If we can find primordial black holes and observe them in their last few seconds as they get to those high temperatures, it gives us access to physics that we’d never otherwise be able to do,” says Jane MacGibbon at the University of North Florida. If those massive particles do exist, they could turn the standard model on its head.

“I definitely think that primordial black holes are out there. I am convinced that we will find one,” says Carr.

Detected by LIGO?

It’s been hypothesized that there could be black holes that formed in the very early universe before stars existed at all.” said Savvas Koushiappas, an associate professor of physics at Brown University and coauthor of a study with Avi Loeb from Harvard University.

“The idea is very simple,” Koushiappas said. “With future gravitational wave experiments, we’ll be able to look back to a time before the formation of the first stars. So if we see black hole merger events before stars existed, then we’ll know that those black holes are not of stellar origin.”

The study published in Physical Review Letters outlined how scientists could use LIGO gravitational wave experiments to test the existence of primordial black holes, gravity wells formed just moments after the Big Bang that some scientists have posited could be an explanation for dark matter.

Some physicists, Crane observers, have speculated that LIGO may actually have already detected primordial black holes colliding, rather than standard stellar black holes, an idea not widely accepted by astrophysicists, but remains plausible.

“If the black holes which are detected by LIGO come from stars, those stars are in binary systems so you tend to get black holes that form with some spin,” says Carr. “But primordial black holes born in the early universe don’t tend to have spin.”

Another hint comes from calculations of when primordial black holes were most likely to have formed – when the pressure in the universe dipped slightly and allowed for more intense gravitational collapse. When they formed can tell us what their masses would probably be today. One of these dips lines up with a primordial black hole mass about 30 times that of the sun, similar to the masses of most of the LIGO black holes.

“We predicted before the LIGO detections that black holes of this size should have formed in the early universe,” says Juan García-Bellido at the Autonomous University of Madrid, Spain. “Most astronomers did not expect LIGO’s first black holes to be this massive, but they were.”

Some researchers, such as Carr and García-Bellido, suspect we may already have seen primordial black holes acting as lenses, but other objects could have been responsible.

So how do we know for sure if we have spotted a primordial black hole? A small size is one obvious sign, but some could be just as big as regular black holes – or, indeed, supermassive. Looking at how much energy they emit over time could help, says MacGibbon. “With most objects in astrophysics, you see the energy decaying with time, whereas an evaporating black hole would be rising higher and higher in temperature and energy,” she says.

“A pretty definitive way you could know you’re looking at primordial black holes would be to see a black hole binary system really far away, at a very early time in the universe,” says Adam Coogan at the University of Amsterdam in the Netherlands, as such systems with non-primordial black holes wouldn’t have been possible then.

“I definitely think that primordial black holes are out there,” says Juan Garcia-Bellido, Professor of Physics, Universidad Autónoma de Madrid. “I am convinced that we will find one.”

“We had to wait 100 years after gravitational waves were predicted before we found them, for black holes we had to wait 50 years, and if primordial black holes exist, we shouldn’t be too surprised if we have to wait another 50 years to find them,” concludes Stephen Hawking’s collaborator, Bernard Carr, Emeritus Professor of Mathematics and Astronomy at Queen Mary, University of London.


New study suggests supermassive black holes could form from dark matter

Artist's impression of a spiral galaxy embedded in a larger distribution of invisible dark matter, known as a dark matter halo (coloured in blue). Studije koje se bave stvaranjem haloa tamne materije sugeriraju da bi svaki halo mogao sadržavati vrlo gustu jezgru tamne materije, koja potencijalno može oponašati efekte centralne crne rupe, ili na kraju kolabirati da bi je formirala.
Zasluga: ESO / L. Calçada

Nova teorijska studija predložila je novi mehanizam za stvaranje supermasivnih crnih rupa od tamne materije. The international team find that rather than the conventional formation scenarios involving ‘normal’ matter, supermassive black holes could instead form directly from dark matter in high density regions in the centres of galaxies. Rezultat ima ključne implikacije na kozmologiju u ranom svemiru i objavljen je u Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva.

Tačno kako su u početku nastale supermasivne crne rupe jedan je od najvećih problema u proučavanju evolucije galaksija danas. Supermasivne crne rupe uočene su već 800 miliona godina nakon Velikog praska, a kako bi mogle tako brzo narasti ostaje neobjašnjivo.

Standard formation models involve normal baryonic matter – the atoms and elements that that make up stars, planets, and all visible objects – collapsing under gravity to form black holes, which then grow over time. However the new work investigates the potential existence of stable galactic cores made of dark matter, and surrounded by a diluted dark matter halo, finding that the centres of these structures could become so concentrated that they could also collapse into supermassive black holes once a critical threshold is reached.

Prema modelu, ovo se moglo dogoditi mnogo brže od ostalih predloženih mehanizama formiranja, i dopustilo bi nastanku supermasivnih crnih rupa u ranom svemiru prije galaksija koje nastanjuju, suprotno trenutnom razumijevanju.

Carlos R. Argüelles, the researcher at Universidad Nacional de La Plata and ICRANet who led the investigation comments: “This new formation scenario may offer a natural explanation for how supermassive black holes formed in the early Universe, without requiring prior star formation or needing to invoke seed black holes with unrealistic accretion rates.”

Another intriguing consequence of the new model is that the critical mass for collapse into a black hole might not be reached for smaller dark matter halos, for example those surrounding some dwarf galaxies. Autori sugeriraju da bi ovo moglo ostaviti manje patuljaste galaksije sa središnjom jezgrom tamne tvari, a ne očekivanom crnom rupom. Takva jezgra tamne materije još uvijek može oponašati gravitacijske potpise konvencionalne središnje crne rupe, dok bi vanjski oreol tamne materije također mogao objasniti opažene krivulje rotacije galaksije.

“This model shows how dark matter haloes could harbour dense concentrations at their centres, which may play a crucial role in helping to understand the formation of supermassive black holes,” added Carlos.

“Here we’ve proven for the first time that such core-halo dark matter distributions can indeed form in a cosmological framework, and remain stable for the lifetime of the Universe.”

The authors hope that further studies will shed more light on supermassive black hole formation in the very earliest days of our Universe, as well as investigating whether the centres of non-active galaxies, including our own Milky Way, may play host to these dense dark matter cores.


Physics at tiniest scale could explain ‘impossible’ black holes

Until recently, scientists had never detected black holes in the &ldquomass gap&rdquo&mdashnow, particle physicists are exploring ideas beyond the Standard Model that could explain them.

On May 21, 2019, a ripple in spacetime alerted scientists to what they thought was an impossible event: a collision between two black holes that should not have existed.

The LIGO and Virgo gravitational wave observatories had witnessed over a dozen black-hole collisions, but this merger was different. Both black holes were situated in the &ldquomass gap,&rdquo a range of masses that, for black holes, should be forbidden.

Black holes form when stars collapse at the end of their lives. (But they must be big enough stars the smallest ones become white dwarfs or neutron stars instead.)

While a star lives, the nuclear reactions and radiation in its interior provide an outward pressure that balances the inward pull of its gravity. When that balance is lost, a core-collapse supernova can leave behind a black hole with at most 50 times the mass of the sun.

At least, that&rsquos what happens to medium-sized stars. In the cores of larger stars, high densities and temperatures trigger the creation of electron-positron pairs, resulting in a more powerful explosion called a pair-instability supernova.

&ldquoThese electron-positron pairs provide gravity but no pressure, so the star starts to collapse prematurely,&rdquo says Djuna Croon, a postdoc at TRIUMF in Canada. &ldquoThe star becomes so hot that you can start to do nuclear reactions with the oxygen in the core. Then because the oxygen burns, you have this immediate explosion, and you&rsquore left with nothing.&rdquo

The most massive stars meet yet another end they can bypass the explosion to collapse into a black hole weighing at least 120 solar masses.

So a black hole can form with a mass less than about 50 or more than 120 times that of the sun, but no known mechanism allows a dying star to become a black hole with a mass in the gap between. Yet the gravitational waves spotted by LIGO and Virgo revealed black holes weighing 66 and 85 solar masses.

&ldquoFor months, I thought, &lsquoWell, we just haven&rsquot estimated the masses correctly. This can&rsquot be in the gap. There&rsquos no such thing as a black hole in the gap,&rsquo&rdquo says Maya Fishbach, a postdoc at Northwestern University and a member of the LIGO collaboration.

But the calculations held up.

The discovery has sparked a flurry of proposed explanations. Some are purely astrophysical: Maybe the two black holes that merged were in turn the children of prior mergers, or perhaps they were born below the mass gap and grew by gobbling up nearby objects. Some scientists question the LIGO/Virgo analysis, proposing instead that the larger black hole sits above the gap and the smaller below it.

But other scenarios explored by Croon and colleagues in a new paper on the arXiv preprint server look for an explanation at the tiniest scale&mdashparticle physics beyond the Standard Model.

Particles that are candidates for dark matter&mdashthe mysterious substance that forms 85% of the universe&rsquos matter&mdashcould also affect the inner workings of stars. For instance, photons could occasionally transform into &ldquohidden photons&rdquo that interact very weakly with ordinary matter and have a tiny but nonzero mass. While ordinary photons are continually absorbed and reemitted within a star, hidden photons would escape unscathed, carrying away some of the star&rsquos energy.

This extra loss of energy would set off &ldquoa little bit of a Rube Goldberg-type thing,&rdquo says co-author Sam McDermott, a theorist at the US Department of Energy&rsquos Fermi National Accelerator Laboratory.

The star would burn through its helium faster, which simulations suggest would give the star less oxygen in its old age. Having less oxygen, the star would need a larger mass to cross the threshold for a pair-instability supernova. Thus, black holes heavier than 50 solar masses could form.

Other hypothesized particles called axions would have a similar effect.

The presence of weakly interacting particles would affect more than just the final phase of a star&rsquos life. As a result, scientists can use astrophysical observations to place limits on the properties of these theoretical particles, says Masha Baryakhtar, who is currently investigating axions and hidden photons at New York University and was not involved with the new paper.

Baryakhtar questions whether new particle interactions could significantly shift black hole masses while remaining compatible with observations of all types of stars. But if the particles have the right mass, McDermott says, they could be created only in massive, hot stars&mdashso undiscovered particles cannot be ruled out as the reason we see these seemingly impossible black holes.

&ldquoIt&rsquos tantalizing that through simulating the evolution of these early stars, you can learn about the tiniest particles that have been proposed,&rdquo Croon says. &ldquoWe&rsquore using very large black holes to study very small particles, and I just think that is fascinating.&rdquo

Another of the team&rsquos proposals hinges not on extra particles, but on extra spatial dimensions. Physicists have long speculated that in addition to the three dimensions we see, more dimensions could lie curled up at the subatomic scale. If these dimensions are large enough, energy from the interiors of stars could leak into them.

&ldquoYou can think of these large extra dimensions as Tupperware containers,&rdquo says Ronald Gamble, a postdoc at the National Strategic Research Institute who studies extensions of general relativity and was not involved with the new work. &ldquoAfter you&rsquove finished your main meal that exists in the three dimensions, you can put your leftover food in them to save for later. That&rsquos what we believe gravity may be doing.&rdquo

In contrast to hidden particles carrying energy away from the star, the extra dimensions would hide energy within the star, but the result would be the same: Both the lower and upper bounds of the mass gap would increase.

A third possibility, modified gravity, would overturn an assumption held by both Isaac Newton and Albert Einstein. The inherent strength of gravity, instead of being constant throughout the entire universe, could depend on the cosmic environment. So different regions in space would have different mass gaps. In regions where gravity is stronger, both pair-instability supernovae and the shortcut taken by the largest stars would kick in at lower masses, putting the mysterious black holes above the local mass gap rather than within it.

All these beyond-the-Standard-Model ideas excite Fishbach. &ldquoIt&rsquos really cool that we&rsquore constraining fundamental physics by measuring black hole masses,&rdquo she says. &ldquoUnfortunately, astrophysics is really messy, so we have to disentangle the fundamental physics from the astrophysics.&rdquo

To narrow down the possible explanations, physicists must observe more mergers in and near the mass gap&mdasha goal well within reach as gravitational-wave astronomy continues to blossom.

In October, the LIGO/Virgo collaboration published its latest batch of data, bringing the running total to 47 black hole mergers, including two more that seem to feature at least one black hole in the mass gap. And a new gravitational-wave observatory in Japan, KAGRA, ran for two months earlier this year.

&ldquoAt this stage, we&rsquore in the middle of the LIGO discovery bump&mdashthe size of the catalog is increasing by orders of magnitude,&rdquo McDermott says. &ldquoThat&rsquos something that makes me particularly motivated to be thinking about this now.&rdquo

Researchers could spot thousands of black hole mergers in the coming decade. And from new particles to new ideas about gravity, &ldquoall of this extra science is coming for free,&rdquo Fishbach says, &ldquojust because we decided to listen to the universe in a way that we&rsquove never observed it before.&rdquo


Dark Matter Map in Local Universe Reveals Hidden Bridges Between Galaxies

A new map of dark matter in the local universe reveals several previously undiscovered filamentary structures connecting galaxies.

The map, developed using machine learning by an international team including a Penn State astrophysicist, could enable studies about the nature of dark matter as well as about the history and future of our local universe.

According to the study published in The Astrophysical Journal, and announced by Pennsylvania State University, which is participating in the study in an official press release on May 24, this is the first map of its kind in the world.

Previous attempts to map the cosmic web started with a model of the early universe and then simulated the evolution of the model over billions of years.

However, this method is computationally intensive and so far has not been able to produce results detailed enough to see the local universe.

In the new study, the researchers took a completely different approach, using machine learning to build a model that uses information about the distribution and motion of galaxies to predict the distribution of dark matter.

The researchers built and trained their model using a large set of galaxy simulations, called Illustris-TNG, which includes galaxies, gasses, other visible matter, as well as dark matter.

The team specifically selected simulated galaxies comparable to those in the Milky Way and ultimately identified which properties of galaxies are needed to predict the dark matter distribution.


“When given certain information, the model can essentially fill in the gaps based on what it has looked at before,” said Jeong, associate professor of astronomy and astrophysics at Penn State and a corresponding author of the study.

“The map from our models doesn’t perfectly fit the simulation data, but we can still reconstruct very detailed structures. We found that including the motion of galaxies—their radial peculiar velocities—in addition to their distribution drastically enhanced the quality of the map and allowed us to see these details.”

The research team then applied their model to real data from the local universe from the Cosmicflow-3 galaxy catalog.

According to the study, the catalog contains comprehensive data about the distribution and movement of more than 17 thousand galaxies in the vicinity of the Milky Way—within 200 megaparsecs. The resulting map of the local cosmic web is published in a paper appearing online May 26 in the Astrophysical Journal.

The map successively reproduced known prominent structures in the local universe, including the "local sheet”—a region of space containing the Milky Way, nearby galaxies in the “local group,” and galaxies in the Virgo cluster—and the “local void”—a relatively empty region of space next to the local group.

Additionally, it identified several new structures that require further investigation, including smaller filamentary structures that connect galaxies.

Dark matter is an elusive substance that makes up 80% of the universe. It also provides the skeleton for what cosmologists call the cosmic web, the large-scale structure of the universe that, due to its gravitational influence, dictates the motion of galaxies and other cosmic material.

“Having a local map of the cosmic web opens up a new chapter of cosmological study,” said Jeong. “We can study how the distribution of dark matter relates to other emission data, which will help us understand the nature of dark matter. And we can study these filamentary structures directly, these hidden bridges between galaxies.”

For example, it has been suggested that the Milky Way and Andromeda galaxies may be slowly moving toward each other, but whether they may collide in many billions of years remains unclear. Studying the dark matter filaments connecting the two galaxies could provide important insights into their future.

“Because dark matter dominates the dynamics of the universe, it basically determines our fate,” said Jeong.

“So we can ask a computer to evolve the map for billions of years to see what will happen in the local universe. And we can evolve the model back in time to understand the history of our cosmic neighborhood.”

The researchers believe they can improve the accuracy of their map by adding more galaxies. Planned astronomical surveys, for example using the James Web Space Telescope, could allow them to add faint or small galaxies that have yet to be observed and galaxies that are further away.


Dark matter, black holes, and dwarf spheroidal galaxies

MNRAS is one of the world's leading primary research journals in astronomy and astrophysics, as well as one of the longest established. It publishes the results of original research in astronomy and astrophysics, both observational and theoretical.

Our current understanding of the Universe suggests that it is composed of an invisible component called “dark matter“. This mysterious type of matter represents more than 25% of the entire matter and energy of which the Universe is made. The matter that we are used to “seeing” in our everyday life and that represents the building blocks for both our bodies and stars that shine in the sky, represents only 5% of the Universe. We call this “ordinary” or “baryonic” matter.

The fundamental law that regulates the interaction between bodies, composed of either dark matter or baryonic matter, is gravity. Roughly speaking, gravity keeps celestial bodies – such as the moon and the Earth – bounded together. Similarly, stellar systems can be composed of tens of stars, held together by gravitational pull. “Stellar clusters” are larger, with hundreds to a few millions of stars and “galaxies” are those having billions to thousands of billion stars. Our galaxy, the Milky Way, is a “spiral” galaxy weighing about 10 12 times the mass of our Sun.

Although such a quantity seems to be definitively huge, observations made clear since the 1930s suggest that galaxies contain much more mass than is actually visible. Practically, two possible methods for evaluating the mass of a stellar system are either looking at the velocity of its stars, or looking at the total amount of light that it emits. Comparing these two quantities made clear in the majority of observations that the former method gives systematically higher mass values. This leads to the accepted picture that galaxies are embedded in large halos of dark matter. More importantly, dark matter distributes in a very characteristic way, having densities that steeply rises toward the centre of the halo. In particular, decreasing by a half the distance to the centre, the density increases twice.

Our own galaxy, the Milky Way, is likely to be contained within its dark matter halo. Interestingly, its neighbourhood is populated by a number of smaller galaxies, called “dwarf spheroidals“, which have masses of a few hundred million solar masses and orbits around it. These small galaxies are characterised by a very high fraction of dark matter, although they are much smaller than the Milky Way by a factor 10,000.

Even more interestingly, in these systems, the dark matter density seems to rise toward their centre following a more gentle trend. This represents a problem in cosmology called “the core/cusp problem”, as the standard theory predicts a general trend that is not observed in dwarf spheroidals.

Moreover, these galaxies do not host massive black holes at their centre, which occupy the majority of the nuclei of galaxies with masses above one million solar masses.

In our work, we propose a mechanism that explains both the absence of massive black holes and the strange behaviour of dark matter distribution. Our theory relies upon the fact that nearly all the observed galaxies contain stellar systems, agglomerate of stars that may be composed of a few thousand up to a few million stars called star clusters. Star clusters move within the galaxy, interacting with the stars and the dark matter that compose the galaxy background. The sum of all the interactions causes a drift of their orbit, driving them toward the centre of the galaxy following a spiral pathway. At the same time, during the cluster orbital decay, its shape warps due to the same interactions.

The time over which orbital decay and the cluster warp takes place depends on the cluster mass, initial orbit, and initial velocity – but to give a general idea, we can state that, at fixed mass, the larger the initial orbit, the longer the decay time-scale.

It is a race against the clock, since the cluster can either be completely disrupted before accomplishing its orbital decay or it can reach the centre and settle there, leading to the formation of a very dense nucleus.

However, if they are sufficiently massive, these clusters influence the galactic nucleus, comprised of stars and dark matter, forcing it to re-arrange its configuration and leading to a much shallower density distribution.

Our results show that the star clusters undergo significant disruption due to the interaction with stars and dark matter that compose the galaxy. After a few Gyr, the star clusters are completely disrupted but, interestingly, they significantly changed the galaxy matter distribution. Indeed, during their disruption they cause the galaxy response that leads its total (stellar + dark matter) density to get shallower, leading also to a significant decrease in the galaxy central density.

NGC 147, a dwarf spheroidal galaxy of the Local Group by Ole Nielsen. CC BY-SA 2.5 via Wikimedia Commons.

This represents a complementary theory related to dwarf spheroidal galaxies, along with the possible contribution given by supernovae events to the nucleus structure or a possible modification of the classical theory of gravity.

How does this relate to massive black hole formation? It is widely thought that massive black holes form in the early life of a galaxy. One of the debated channels involve multiple collisions of stars, which drive the formation of a very massive star that possibly collapses to a black hole with masses of around 100-1000 solar masses and then rapidly grows by swallowing surrounding gas and stars, reaching the values currently observed (from few million to several billion solar masses).

What drives such a runaway process is the density of the nucleus, where stellar collisions start. The density decrease observed in our simulations make extremely unlikely the possible starting of the massive black hole seed formation phase, giving a quite general explanation of the causes of the lack of massive black holes in dwarf spheroidals.

Hence, our work proposes a four-step mechanism that occurs in the very early life of the dwarf, which can be summarised as follows:

  1. The dwarf spheroidal forms with a steep density profile and some star clusters form following the overall galactic distribution
  2. Due to gravitational interactions between stars and the clusters, the latter moving on inner orbits are efficiently disrupted, while those moving in the galactic outskirt are almost untouched
  3. During their infall, clusters exert on the galactic nucleus a force, which causes its readjustment. In consequence of this, the resulting nucleus is much less dense than its initial configuration, possibly obstaculating the formation of a massive black hole seed
  4. Clusters moving on the outer orbits undergo orbital decay and eventually reach the galactic centre, driving the formation of a bright nucleus.

Featured image credit: Galaxy. CCO Public Domain via Pixabay.

Manuel Arca Sedda is a former postdoctoral fellow at the Università di Roma Sapienza and P.I. of the MEGaN project. His main research topics include black holes evolution, galaxy nuclei formation and computational astrophysics. He is the principal author of "Lack of nuclear clusters in dwarf spheroidal galaxies: implications for massive black holes formation and the cusp/core problem" published in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Our Privacy Policy sets out how Oxford University Press handles your personal information, and your rights to object to your personal information being used for marketing to you or being processed as part of our business activities.

We will only use your personal information to register you for OUPblog articles.


Pogledajte video: Top 15 Unexplained findings (Oktobar 2022).