В течение почти века тёмная материя остаётся одной из самых загадочных тем в космологии. Хотя её невозможно наблюдать напрямую, именно её гравитационное воздействие формирует галактики и крупномасштабную структуру Вселенной. В Институте Периметра двое физиков исследуют, как особый тип тёмной материи — самовзаимодействующая тёмная материя (SIDM) — может влиять на развитие и эволюцию космических структур.

Новые методы моделирования SIDM

В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, Джеймс Гурян и Саймон Мэй представили новый вычислительный инструмент для изучения влияния SIDM на формирование галактик. Их подход позволяет моделировать типы взаимодействий частиц, которые ранее было сложно или практически невозможно точно воспроизвести.

SIDM — это теоретическая форма тёмной материи, частицы которой могут сталкиваться друг с другом, но не взаимодействуют с обычной (барионной) материей, состоящей из протонов, нейтронов и электронов. Эти столкновения происходят за счёт так называемых упругих самовзаимодействий, что может существенно влиять на гало тёмной материи — массивные скопления, окружающие галактики и определяющие их эволюцию.

Гравотермальный коллапс и его значение

Самовзаимодействующая природа SIDM способна запускать процесс, известный как гравотермальный коллапс внутри гало тёмной материи. Это явление связано с парадоксальным свойством гравитационных систем: по мере потери энергии они становятся горячее, а не охлаждаются. В результате внутреннее ядро гало становится всё более горячим и плотным, что со временем может привести к драматическому коллапсу ядра.

Проблемы моделирования и новый программный код

Долгое время моделирование структур, формируемых SIDM, было сложной задачей. Существующие методы хорошо работают только при определённых условиях: одни эффективны при разреженной тёмной материи и редких столкновениях, другие — при высокой плотности и частых взаимодействиях. Однако для промежуточных случаев не существовало подходящего метода.

Чтобы решить эту проблему, Гурян и Мэй разработали новый программный код KISS-SIDM. Это программное обеспечение заполняет пробел между существующими методами симуляции, обеспечивая высокую точность при значительно меньших вычислительных затратах. Код доступен для других исследователей и может запускаться даже на обычном ноутбуке, что делает его удобным инструментом для проверки различных параметров SIDM.

Растущий интерес к SIDM

Интерес к самовзаимодействующей тёмной материи усилился в последние годы, отчасти из-за загадочных особенностей, наблюдаемых в галактиках, которые не всегда укладываются в стандартные модели. Как отмечает сотрудник Института Периметра Нил Далал, новые аномалии в наблюдениях могут потребовать введения новой физики в тёмном секторе. Ранее точные расчёты формирования космических структур в таких моделях были невозможны, но метод, разработанный Гуряном и Мэем, открывает новые возможности для исследований эволюции тёмной материи с учётом существенных взаимодействий.

Перспективы и фундаментальные вопросы

Коллапс ядер тёмной материи особенно интересен, поскольку может оставлять наблюдаемые следы, включая возможные связи с формированием чёрных дыр. Однако конечный результат этого процесса остаётся открытым вопросом. Возможность подробно исследовать такие экстремальные условия с помощью нового кода — важный шаг к ответу на одни из самых глубоких вопросов о природе тёмной материи и структуре Вселенной.