Ученые из Института теоретической физики Периметр разработали новый вычислительный инструмент, который позволяет заглянуть в самые недоступные процессы эволюции Вселенной. Новый алгоритм, получивший название KISS-SIDM, впервые дает возможность точно моделировать «гравотермический коллапс» — катастрофическое сжатие гало темной материи, которое может быть ключом к рождению галактик и даже сверхмассивных черных дыр.
Темная материя остается одной из величайших загадок современной космологии. Мы знаем, что она существует, поскольку ее гравитация удерживает звезды внутри галактик, но мы не видим ее и не знаем, из чего она состоит. Долгое время господствующей теорией была модель «холодной темной материи», предполагающая, что частицы этой субстанции практически не взаимодействуют друг с другом. Однако наблюдения последних лет заставляют физиков все чаще обращаться к альтернативе — самовзаимодействующей темной материи (Self-Interacting Dark Matter — SIDM).
Согласно этой теории, частицы темной материи могут сталкиваться и обмениваться энергией, подобно бильярдным шарам. Это, казалось бы, незначительное отличие кардинально меняет судьбу космических структур.
Когда частицы темной материи сталкиваются, происходит удивительный процесс, называемый гравотермическим коллапсом. В обычных условиях, если система теряет энергию, она остывает. Но в гравитационно связанных системах (таких как облака темной материи) действует обратная термодинамика: теряя энергию или перераспределяя ее во внешние слои, ядро системы сжимается и становится горячее и плотнее.
«Темная материя образует огромные гало, внутри которых живут галактики, подобные Млечному Пути», — объясняет Джеймс Гуриан (James Gurian), постдок из Института Периметр и ведущий автор исследования. — «Понимание того, как эти гало эволюционируют и коллапсируют, критически важно для понимания всей структуры Вселенной».
До сих пор физики сталкивались с серьезной вычислительной проблемой. Существующие методы моделирования работали в двух крайностях:
- Жидкостные модели подходили для плотных областей с частыми столкновениями частиц.
- N-body симуляции (моделирование отдельных частиц) хорошо работали для разреженных областей.
Однако промежуточная стадия и, что самое важное, финальная стадия экстремального сжатия (коллапса) оставались «слепым пятном». Старые коды либо были неточноваты, либо требовали бесконечного времени для расчетов.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, Джеймс Гуриан и его коллега Саймон Мэй (Simon May) представили решение — новый алгоритм KISS-SIDM.
Этот код использует гибридный подход, который позволяет с высокой точностью и скоростью отслеживать эволюцию гало темной материи от спокойного состояния до момента катастрофического сжатия ядра. Название метода отражает его способность работать за пределами простых жидкостных приближений (Fluid Approximation), учитывая сложную физику столкновений частиц.
Ключевым достижением стало то, что KISS-SIDM способен моделировать поздние стадии эволюции гало, когда плотность в центре возрастает до экстремальных значений. Именно этот этап был камнем преткновения для астрофизиков на протяжении десятилетий.
Почему это так важно? Потому что «смерть» гало темной материи может быть началом чего-то грандиозного.
«Фундаментальный вопрос заключается в том, что является конечной точкой этого коллапса?» — говорит Гуриан. — «Мы бы очень хотели изучить фазу, которая наступает после формирования центральной сверхплотной области».
Существует гипотеза, что если ядро гало темной материи коллапсирует достаточно быстро и эффективно, оно может создать условия для мгновенного образования сверхмассивной черной дыры в ранней Вселенной. Это помогло бы решить еще одну загадку астрономии: как гигантские черные дыры, которые мы наблюдаем на краях Вселенной, успели вырасти до таких размеров так скоро после Большого взрыва.
Новый код дает теоретикам инструмент, чтобы проверить эту гипотезу. Теперь они могут моделировать сценарии, где темная материя не просто пассивный «каркас» для галактик, а динамичная среда, способная порождать самые экстремальные объекты в космосе.
Разработка Гуриана и Мэя уже выложена в открытый доступ, что позволяет физикам по всему миру использовать её для проверки своих теорий. С вводом в строй телескопов нового поколения, которые смогут детальнее картировать распределение материи в далеких галактиках, предсказания, сделанные с помощью KISS-SIDM, можно будет проверить на практике.
Если окажется, что темная материя действительно подвержена гравотермическому коллапсу, нам придется переписать историю формирования Млечного Пути и всех звездных островов, которые мы видим в ночном небе.
Читайте также: Как темная материя влияет на сверхновые, захватывающие электроны, и на рождение нейтронных звезд
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.