Computersimulationen haben Schwierigkeiten damit, den Einfluss schwer nachweisbarer Teilchen, sogenannter Neutrinos, auf die Entstehung und das Wachstum großräumiger Strukturen im Universum zu beschreiben. Aber jetzt hat ein Forschungsteam aus Japan eine Methode entwickelt, die diese Hürde überwindet.
In einer Studie, die diesen Monat im Astrophysical Journal veröffentlicht wurde, präsentieren Wissenschaftler unter Leitung der University of Tsukuba Simulationen, die die Rolle der Neutrinos bei der Entwicklung des Universums genau abbilden.
Warum sind diese Simulationen von Bedeutung? Ein wichtiger Grund ist, dass sie einer derzeit unbekannten Größe Grenzen setzen können, nämlich der Neutrinomasse. Wenn diese Größe in den Simulationen auf einen bestimmten Wert gesetzt wird und die Simulationsergebnisse von den Beobachtungen abweichen, kann der Wert ausgeschlossen werden. Den Grenzen kann jedoch nur getraut werden, wenn die Simulationen genau sind, was bei früheren Arbeiten nicht garantiert werden konnte. Das Team hinter der aktuellen Studie zielte darauf ab, diese Begrenzung zu überwinden.
“Frühere Simulationen nutzten bestimmte Näherungswerte, die möglicherweise nicht korrekt sind”, sagte der Hauptautor der Studie, Kohji Yoshikawa. “In unserer Studie vermieden wir diese Näherungswerte durch die Einbindung einer Technik, die die Geschwindigkeitsverteilungsfunktion der Neutrinos exakt darstellt und ihrer zeitlichen Entwicklung folgt.”
Dafür löste das Forschungsteam ein Gleichungssystem, das als die Vlasov-Poisson-Gleichungen bekannt ist. Es beschreibt, wie sich Teilchen im Universum bewegen. Dann führten die Wissenschaftler Simulationen mit verschiedenen Werten der Neutrinomasse durch und untersuchten systematisch die Auswirkungen der Neutrinos auf die großräumigen Strukturen im Universum.
Die Ergebnisse demonstrieren beispielsweise, dass Neutrinos die Verklumpung von Dunkler Materie (der “fehlenden” Masse im Universum) und damit wiederum auch Galaxien unterdrücken. Sie zeigen auch, dass neutrinoreiche Regionen eng mit massereichen Galaxienhaufen korrelieren, und dass die effektive Temperatur der Neutrinos grundlegend von der Neutrinomasse abhängt.
“Insgesamt sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass Neutrinos beträchtliche Auswirkungen auf die großräumige Strukturbildung haben, und dass unsere Simulationen einen großen Teil der wichtigen Auswirkungen der Neutrinos berücksichtigen”, erklärte Yoshikawa. “Es bestätigt auch, dass unsere neuen Ergebnisse mit Ergebnissen von völlig anderen Simulationsansätzen konsistent sind.”
Diese Arbeit repräsentiert einen Meilenstein bei der Simulation des Universums und ebnet den Weg für weitere Forschungen darüber, wie Neutrinos die Bildung und das Wachstum der großräumigen Struktur beeinflussen. Zum Beispiel könnte der neue Simulationsansatz verwendet werden, um die Dynamik von Neutrinos und unkonventionellen Arten von Dunkler Materie zu untersuchen. Letztendlich könnte es zur Feststellung der Neutrinomasse führen.
Abhandlung:
“Cosmological Vlasov-Poisson Simulations of Structure Formation with Relic Neutrinos: Nonlinear Clustering and the Neutrino Mass” von Yoshikawa et al.
(THK)
Antworten