Астрофизики давно пытаются обнаружить темную материю - неуловимую, невидимую силу, которая не отражает и не излучает свет. Однако на ее долю приходится огромное количество всей материи (по некоторым оценкам, около 85%) во Вселенной.

Плотностные срезы с масштабированием в размытом ореоле темной материи. Schwabe & Niemeye

Одним из наиболее перспективных направлений исследований является концепция "нечеткой темной материи" - гипотетической формы таинственной материи, которая, как предполагается, состоит из чрезвычайно легких скалярных частиц.

Известно, что этот тип материи трудно смоделировать из-за его уникальных характеристик. Тем не менее, ученые из Университета Сарагосы в Испании и Института астрофизики в Германии недавно предложили метод имитации размытой темной материи, формирующей галактическое гало.

Их метод, описанный в статье в журнале Physical Review Letters, совершенствует алгоритм, который команда представила в предыдущем исследовании.

"Численная проблема для исследований, посвященных размытой темной материи, заключается в том, что ее отличительные особенности (гранулированные флуктуации плотности в свернувшихся гало и нитях) на порядки меньше, чем любой космологический симулятор, достаточно большой для точного отражения динамики космической паутины", - пояснил Phys.org Бодо Швабе, один из исследователей, проводивших исследование.

"Поэтому в течение многих лет люди пытались объединить эффективные численные методы, отражающие крупномасштабную динамику, с алгоритмами, которые требуют больших вычислительных затрат, но могут точно передать эти флуктуации плотности", - продолжает Швабе.

Срезы плотности, увеличивающиеся в нечетком гало темной материи, полученные в результате имитационного моделирования ученых. Source: Schwabe & Niemeyer.

Разгадка тайны темной материи

Швабе и его коллега Йенс К. Нимейер считают, что разработанный ими метод - единственный, который в настоящее время способен успешно проводить нечеткое космологическое моделирование темной материи. По их словам, используя свой алгоритм, они смогли смоделировать распад космической паутины на нити и ореолы с помощью так называемого "метода n-тел". Метод n-тел разделяет "начальное поле плотности" на маленькие частицы, которые эволюционируют под действием гравитации.

"Метод n-тел - очень стабильный, хорошо проверенный и эффективный метод, но он не отражает флуктуации плотности мешающего нечеткого поля темной материи в филаментах и гало", - пояснил Швабе. "В крошечном суб-объеме нашего симуляционного блока, отслеживающего центр предварительно выбранного гало, мы, таким образом, обратились к другому алгоритму, известному как метод конечных разностей, который непосредственно эволюционирует волновую функцию нечеткой темной материи и таким образом может захватить ее интерферирующие моды, приводящие к характерным гранулированным флуктуациям плотности".

Швабе и Нимейер объединили методы n-тел и конечных разностей (или конечных элементов), которые широко используются, но редко объединяются для проведения космологического моделирования. Это перевело частицы n-тела в состояние когерентных волновых пакетов, известных как "гауссовы пучки", что привело к нечеткой волновой функции темной материи, которая позволила им провести моделирование. Исследователи считают, что их метод поможет мировому научному сообществу лучше понять темную материю в целом.

Несмотря на то, что миссии крупных телескопов, подобных телескопу NASA James Webb, направлены на изучение тайн темной материи и темной энергии, в ближайшие годы потребуются новые инструменты для моделирования этих неуловимых сил в огромных масштабах. 

Источники: Journal Physical Review Letters, Phys.org, Википедиа
(https://phys.org/tags/filaments/)
(https://phys.org/news/2022-05-astrophysicists-simulate-fuzzy-dark-galactic.html) (ttps://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.181301)
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Гравитационная_задача_N_тел)
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Метод_конечных_элементов)
(https://ikfia.ysn.ru/wp-content/uploads/2018/01/Gelfond1959ru.pdf)