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Astrophysiker haben eine neue Methode entwickelt, um einen „unscharfen“ galaktischen Halo aus dunkler Materie zu simulieren

Dunkle Materie macht etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Universum aus.

Dichteschnitte zoomen in einen unscharfen Halo aus dunkler Materie. Schwabe & Niemeyer

Astrophysiker haben lange versucht, dunkle Materie zu entdecken, die schwer fassbare, unsichtbare Kraft, die kein Licht reflektiert oder ausstrahlt, aber einen großen Teil der gesamten Materie im Universum ausmacht – ungefähr 85 Prozent nach einigen Schätzungen.

Ein vielversprechender Forschungsweg ist das Konzept der „unscharfen dunklen Materie“, einer hypothetischen Form der mysteriösen Materie, die theoretisch aus extrem leichten Skalarteilchen besteht.

Die Art der Materie ist bekanntermaßen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften schwer zu simulieren. Dennoch haben Wissenschaftler der Universidad de Zaragoza in Spanien und des Instituts für Astrophysik in Deutschland kürzlich vorgeschlagene Methode um unscharfe dunkle Materie zu simulieren, die a bildetgalaktischer Heiligenschein.

Ihre Methode, skizziert in einem Artikel in Physische Überprüfungsschreiben, verbessert einen Algorithmus, den das Team in einer früheren Studie eingeführt hat.

"Die numerische Herausforderung für Studien, die sich auf unscharfe dunkle Materie konzentrieren, besteht darin, dass ihre charakteristischen Merkmale, die granularen Dichteschwankungen in kollabierten Halos und Filamenten, um Größenordnungen kleiner sind als jede kosmologische Simulationsbox, die groß genug ist, um die Dynamik des kosmischen Netzes genau zu erfassen“, erklärte Bodo Schwabe, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org.

Dichtescheiben, die in einen unscharfen Halo aus dunkler Materie aus der Simulation der Forscher hineinzoomen.Quelle: Schwabe & Niemeyer.

„Seit Jahren haben Menschen versucht, effiziente numerische Methoden zur Erfassung der großräumigen Dynamik mit Algorithmen zu kombinieren, die rechenintensiv sind, aber diese Dichteschwankungen genau entwickeln können“, fuhr Schwabe fort.

Das Geheimnis der Dunklen Materie aufdecken

Schwabe und ein Kollege, Jens C. Niemeyer, glauben, dass die von ihnen entwickelte Methode die einzige ist, die derzeit erfolgreich Simulationen der Fuzzy-Kosmologie dunkler Materie durchführen kann. Mit ihrem Algorithmus sagten sie, dass sie in der Lage waren, den Zusammenbruch des Kosmosnetzes zu simulierenFilamente und Halos mit der sogenannten "n-Körper-Methode". Die n-Körper-Methode teilt das "Anfangsdichtefeld" in kleine Partikel, die sich durch die Wirkung der Schwerkraft entwickeln.

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"Die n-Körper-Methode ist eine sehr stabile, gut getestete und effiziente Methode, aber sie erfasst nicht die Dichteschwankungen des störenden unscharfen Feldes der dunklen Materie in Filamente und Lichthöfe", erklärte Schwabe. „In einem winzigen Teilvolumen unserer Simulationsbox, das die Mitte eines vorgewählten Lichthofs nachzeichnet, haben wir daher zu einem anderen Algorithmus gewechselt, der als Finite-Differenzen-Methode bekannt ist und die direkt entwickeltunscharfe Wellenfunktion der dunklen Materie und kann so ihre interferierenden Moden erfassen, was die charakteristischen Fluktuationen der granularen Dichte ergibt."

Schwabe und Niemeyer kombinierten sowohl die n-Körper- als auch die Finite-Differenzen-Methode, die beide weit verbreitet, aber selten kombiniert werden, um kosmologische Simulationen durchzuführen. Dies beförderte die n-Körper-Teilchen in den Zustand kohärenter Wellenpakete, die als "Gaußsche Strahlen" bekannt sind“, was zu einer unscharfen Wellenfunktion der dunklen Materie führte, die es ihnen ermöglichte, ihre Simulationen durchzuführen. Die Forscher glauben, dass ihre Methode der globalen wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen wird, die dunkle Materie als Ganzes besser zu verstehen.

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Obwohl große Teleskopprojekte wie James Webb von der NASA helfen wollen Entdecke die Geheimnisse der Dunklen Materie und dunkle Energie, neue Methoden zur Simulation der schwer fassbaren Kräfte in massiven Maßstäben werden noch erforderlich sein, um ihre Ergebnisse in den kommenden Jahren zu verstehen.

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