Новое моделирование показывает, как сталкивающиеся частицы темной материи могут вызывать космические коллапсы, которые формируют галактики и, возможно, порождают черные дыры. Фото: AI/ScienceDaily.com
На протяжении почти 100 лет темная материя оставалась одним из самых больших вопросов космологии, на который не было ответа. Хотя ее нельзя увидеть непосредственно, ее гравитационное воздействие формирует галактики и крупномасштабную структуру Вселенной. В Институте Периметра два физика исследуют, как особая форма темной материи, известная как самодействующая темная материя (SIDM), может влиять на то, как космические структуры растут и изменяются с течением времени.
В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, Джеймс Гуриан и Саймон Мэй представляют новый вычислительный инструмент, предназначенный для изучения того, как SIDM влияет на формирование галактик. Их подход позволяет исследовать типы взаимодействий частиц, которые ранее было сложно или непрактично точно моделировать.
Когда Темная материя взаимодействует сама с собой
SIDM — это теоретическая форма темной материи, частицы которой могут сталкиваться друг с другом, но не взаимодействуют с барионной материей, привычной материей, состоящей из протонов, нейтронов и электронов. Эти столкновения позволяют экономить энергию за счет того, что физики называют упругими самовзаимодействиями. Такое поведение может сильно влиять на гало темной материи — массивные скопления темной материи, которые окружают галактики и помогают направлять их эволюцию.
«Темная материя образует относительно рассеянные скопления, плотность которых все еще намного превышает среднюю плотность Вселенной», — говорит Гуриан, научный сотрудник Perimeter и соавтор исследования. «Млечный Путь и другие галактики находятся в ореолах темной материи».
Тепло, поток энергии и коллапс ядра
Самодействующая природа SIDM может вызвать процесс, известный как гравотермический коллапс в ореолах темной материи. Это явление возникает из-за противоречивого свойства гравитации, когда системы, связанные гравитацией, нагреваются, поскольку теряют энергию, а не охлаждаются.
«У вас есть эта самодействующая темная материя, которая переносит энергию, и она стремится выводить энергию наружу в этих ореолах», — говорит Гуриан. «Это приводит к тому, что внутреннее ядро становится по-настоящему горячим и плотным, поскольку энергия передается наружу». Со временем этот процесс может привести к резкому коллапсу ядра гало.
Недостающее звено в моделировании темной материи
Моделирование структур, сформированных с помощью SIDM, долгое время было сложной задачей. Существующие методы хорошо работают только при определенных условиях. Некоторые модели лучше всего работают, когда темная материя разрежена и столкновения происходят редко, в то время как другие эффективны только при высокой плотности темной материи и частых взаимодействиях.
«Один из подходов — это моделирование с использованием N тел, которое действительно хорошо работает, когда темная материя не очень плотная и столкновения происходят нечасто. Другой подход — это плавный подход, и он работает, когда темная материя очень плотная и столкновения часты».
«Но для промежуточной обработки не было подходящего метода», — говорит Гуриан. «Вам нужен промежуточный подход, чтобы правильно выбирать между частями с низкой и высокой плотностью. Это и послужило основой для этого проекта».
Более быстрый и доступный инструмент моделирования
Чтобы решить эту проблему, Гуриан и его соавтор Саймон Мэй, бывший научный сотрудник компании Perimeter, ныне работающий научным сотрудником по подготовке к ERC в Билефельдском университете, разработали новый код под названием KISS-SIDM. Это программное обеспечение устраняет разрыв между существующими методами моделирования, обеспечивая более высокую точность при гораздо меньших затратах вычислительной мощности. Оно также является общедоступным для других исследователей.
«Раньше, если вы хотели проверить различные параметры самодействующей темной материи, вам нужно было либо использовать эту действительно упрощенную жидкостную модель, либо использовать кластер, что требует больших вычислительных затрат. Этот код быстрее, и вы можете запустить его на своем ноутбуке», — говорит Гуриан.
Открытие возможностей для новой физики темной материи
В последние годы интерес к взаимодействию темной материи возрос, отчасти из-за загадочных особенностей, наблюдаемых в галактиках, которые могут не соответствовать стандартным моделям.
«В последнее время наблюдается значительный интерес к моделям взаимодействия темной материи из-за возможных аномалий, обнаруженных при наблюдениях галактик, которые могут потребовать новой физики в темном секторе», — говорит Нил Далал, сотрудник исследовательского факультета Института Периметра.
«Ранее было невозможно выполнить точные расчеты формирования космической структуры в таких моделях, но метод, разработанный Джеймсом и Саймоном, предоставляет решение, которое, наконец, позволяет нам моделировать эволюцию темной материи в моделях со значительными взаимодействиями», — говорит Далал. «Их работа должна позволить провести широкий спектр исследований, которые ранее были трудноразрешимыми».
Последствия для черных дыр и за их пределами
Коллапс ядер темной материи особенно интригует, поскольку он может оставить заметные следы, включая возможные связи с образованием черных дыр. Однако вопрос о том, как в конечном итоге завершится этот процесс, остается открытым.
«Фундаментальный вопрос заключается в том, какова конечная точка этого коллапса? Это то, что мы действительно хотели бы сделать — изучить фазу после образования черной дыры».
Предоставляя возможность детально исследовать эти экстремальные условия, новый код представляет собой важный шаг на пути к ответу на некоторые из самых глубоких вопросов о темной материи и структуре Вселенной.