Вот уже почти сто лет темная материя остается одной из величайших загадок космологии. Хотя ее невозможно увидеть напрямую, ее гравитационное влияние формирует галактики и крупномасштабную структуру Вселенной. Ученые из Института теоретической физики Периметр исследуют, как особая форма темной материи – известная как самовзаимодействующая темная материя (SIDM) – может влиять на рост и изменение космических структур.
В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, физики Джеймс Гуриан и Саймон Мэй представили новый вычислительный инструмент, предназначенный для изучения влияния SIDM на формирование галактик. Их подход позволяет исследовать такие типы взаимодействий частиц, которые ранее было трудно или непрактично моделировать с достаточной точностью.
SIDM – это теоретическая форма темной материи, частицы которой могут сталкиваться друг с другом, но не взаимодействуют с привычной нам барионной материей, состоящей из протонов, нейтронов и электронов. Эти столкновения, называемые физиками упругими самовзаимодействиями, сохраняют энергию. Такое поведение может сильно влиять на гало темной материи – массивные скопления, которые окружают галактики и направляют их эволюцию. «Темная материя образует относительно разреженные сгустки, которые все же намного плотнее средней плотности Вселенной, – говорит Джеймс Гуриан, соавтор исследования. – Млечный Путь и другие галактики живут в этих гало темной материи».
Самовзаимодействующая природа SIDM может запустить процесс, известный как гравитермический коллапс внутри гало. Это явление возникает из-за парадоксального свойства гравитации, при котором связанные гравитацией системы при потере энергии не остывают, а наоборот, становятся горячее. «Самовзаимодействующая темная материя переносит энергию, и в этих гало она стремится переносить ее наружу, – объясняет Гуриан. – Это приводит к тому, что внутреннее ядро становится очень горячим и плотным». Со временем этот процесс может привести к стремительному коллапсу ядра гало.
Моделирование структур, образованных SIDM, долгое время было серьезной проблемой. Существующие методы хорошо работали лишь в определенных условиях. Одни симуляции были эффективны, когда темная материя разрежена и столкновения редки, в то время как другие подходили только для чрезвычайно плотной материи с частыми взаимодействиями. «Один подход – это симуляция N-тел, которая отлично работает, когда темная материя не очень плотная. Другой – гидродинамический подход, который эффективен, когда она очень плотная и столкновения часты, – говорит Гуриан. – Но для промежуточного состояния хорошего метода не было. Именно это и послужило толчком для нашего проекта».
Чтобы решить эту проблему, Гуриан и его соавтор Саймон Мэй разработали новый программный код под названием KISS-SIDM. Программа заполняет пробел между существующими методами моделирования, обеспечивая более высокую точность при значительно меньших вычислительных затратах. Код также находится в открытом доступе для других исследователей. «Раньше, если вы хотели проверить различные параметры SIDM, вам нужно было либо использовать очень упрощенную гидродинамическую модель, либо обращаться к кластеру, что очень дорого. Наш код быстрее, и его можно запустить на обычном ноутбуке», – отмечает Гуриан.
Интерес к взаимодействующей темной материи в последние годы вырос, отчасти из-за загадочных особенностей, наблюдаемых в галактиках, которые могут не соответствовать стандартным моделям. «Этот метод, разработанный Джеймсом и Саймоном, наконец-то позволяет нам моделировать эволюцию темной материи в моделях со значительными взаимодействиями», – говорит Нил Далал, научный сотрудник Института Периметр. По его словам, эта работа открывает путь для широкого спектра исследований, которые ранее были невыполнимы.
Коллапс ядер темной материи особенно интригует, поскольку он может оставлять наблюдаемые следы, включая возможную связь с образованием черных дыр. Однако чем именно заканчивается этот процесс, остается открытым вопросом. «Фундаментальный вопрос – каков конечный результат этого коллапса? Мы бы очень хотели изучить фазу после образования черной дыры», – делится планами Гуриан. Делая возможным детальное исследование этих экстремальных условий, новый код представляет собой важный шаг к ответу на одни из самых глубоких вопросов о темной материи и структуре нашей Вселенной.
