Russische Physiker haben eine numerische Simulation der Bildung lokaler Strukturen aus dunkler Materie durchgeführt. Diese Arbeit gilt für populäre Modelle unsichtbarer Materie wie Axionen und Fuzzy Dark Matter. Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass Analoga von Sternen der dunklen Materie in unserem Universum existieren können. Ein Preprint mit den Ergebnissen wird auf der Website arXiv.org veröffentlicht.
Verschiedene astronomische Beobachtungen stimmen nicht mit der Annahme überein, dass der Großteil der Masse im Universum in leuchtender Materie wie Sternen und dem damit verbundenen Gas enthalten ist. Die derzeit am häufigsten akzeptierte Erklärung für diese Diskrepanz ist die Hypothese der Dunklen Materie, die die Existenz einer Substanz voraussetzt, die für elektromagnetische Wechselwirkungen transparent ist und den größten Teil der Masse ausmacht. Solche Materie sollte riesige Muscheln - Halos - um Galaxien bilden. Theoretiker haben viele Modelle der Dunklen Materie vorgeschlagen, von denen die meisten sie durch noch nicht entdeckte Elementarteilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften beschreiben.
Die neue Arbeit untersucht die Bildung stabiler lokaler Formationen dunkler Materie, die sich aufgrund der Selbstgravitation ähnlich wie gewöhnliche Sterne zurückhalten. Der Artikel geht davon aus, dass Teilchen der Dunklen Materie Bosonen sind und die resultierenden Strukturen Cluster von Bose-Einstein-Kondensat sind, dh die Schlussfolgerungen gelten für so beliebte Modelle unsichtbarer Materie wie Axionen und "verschwommene" Dunkle Materie. Ein Merkmal der Arbeit war die Modellierung im Rahmen eines rein kinetischen Regimes, ohne die Wechselwirkung von Partikeln der dunklen Materie miteinander zu berücksichtigen. Zum ersten Mal konnten die Autoren zeigen, dass Bose-Sterne nur aufgrund der Schwerkraft kondensieren können, es müssen keine Annahmen über die Selbstwirkung der Dunklen Materie getroffen werden.
Axionen wurden von theoretischen Physikern als Lösung für das Problem der beobachteten Verletzung der CP-Invarianz (gleichzeitiger Ersatz aller Partikel durch Antiteilchen und Spiegelreflexion des Systems im Raum) vorgeschlagen. Sie sollten eine kleine Masse haben, schwach mit bekannten Teilchen interagieren und in zwei Photonen zerfallen. "Verschwommene" dunkle Materie besteht aus Partikeln extrem kleiner Masse. Es ist so klein, dass die entsprechende de Broglie-Wellenlänge (die Skala, auf der sich die Quanteneigenschaften des Körpers manifestieren) mit der Größe von Galaxien vergleichbar ist. In diesem Fall stellt sich heraus, dass die Teilchen in Umlaufbahnen um Galaxien "verschmiert" sind, genau wie Elektronen Wolken in Atomen bilden und keine Punktteilchen in den Umlaufbahnen von Kernen sind.
Die Autoren schließen daraus, dass Bose-Sterne aus Axionen möglicherweise zu Lebzeiten des Universums geboren werden und ihre typische Masse sehr gering sein wird - sie werden zentrale Objekte in Miniclustern 10-13 Sonnenmassen sein. Wenn sie weiterhin Partikel ansammeln, können sie die kritische Größe überschreiten und explodieren - ein solches Ereignis ist ein Kandidat für die Rolle einer Quelle für schnelle Funkstöße. Bei "diffuser" dunkler Materie können sich solche Sterne auch in relativ kurzer Zeit bilden. Darüber hinaus löst dieses Modell für eine bestimmte Masse solcher Partikel das Problem des Fehlens von Zwergsatelliten großer Galaxien wie der Milchstraße: Aus numerischen Modellen folgt, dass unser Sternensystem viele zehn Satelliten haben sollte und viel weniger beobachtet wird. Wenn die Theorie der "verschwommenen" dunklen Materie richtig ist, dann Zwerghalosdie ursprünglich die Grundlage für kleine Galaxien sein sollten, haben es geschafft, sich zu viel kleineren Sternen zu verdichten, die nicht viel gewöhnliche Materie um sich herum halten können. Es sollte jedoch beachtet werden, dass diese Theorie durch andere astronomische Beobachtungen stark eingeschränkt ist, so dass nur ein kleiner Bereich möglicher Teilchenmassen übrig bleibt.
