Учёные из Института теоретической физики «Периметр» (Perimeter Institute) разработали новый метод, позволяющий изучать влияние самодействующей тёмной материи (SIDM) на эволюцию космических структур.

Тёмная материя, составляющая значительную часть массы Вселенной, не взаимодействует с обычным веществом, но может взаимодействовать сама с собой. Частицы SIDM сталкиваются и отталкиваются друг от друга, сохраняя энергию. Эти столкновения влияют на структуру гало тёмной материи, в которых находятся галактики, такие как Млечный Путь.

«Тёмная материя образует относительно рыхлые сгустки, которые всё ещё намного плотнее средней плотности Вселенной», – объясняет Джеймс Гуриан, один из авторов исследования.

Взаимодействие частиц SIDM приводит к так называемому гравитермальному коллапсу в гало тёмной материи. Этот процесс, на первый взгляд, противоречит интуиции: когда энергия удаляется из гравитационно-связанной системы, она не охлаждается, а нагревается. «Самодействующая тёмная материя переносит энергию, и она имеет тенденцию переносить энергию наружу в этих гало, – говорит Гуриан. – Это приводит к тому, что внутренняя часть ядра становится горячей и плотной, поскольку энергия переносится наружу».

Моделирование структур, образующихся в результате взаимодействия SIDM, – сложная задача. Существующие методы хорошо работают либо при низкой плотности тёмной материи (N-body моделирование), либо при высокой плотности (гидродинамический подход). Однако для промежуточных значений плотности эффективного метода до сих пор не существовало. Новый код KISS-SIDM (Kinetic Spherically Symmetric SIDM) заполняет этот пробел.

KISS-SIDM быстрее и точнее предыдущих аналогов и доступен для использования другими учёными. «Раньше, чтобы проверить различные параметры для самодействующей тёмной материи, нужно было либо использовать упрощённую гидродинамическую модель, либо обращаться к кластеру, что вычислительно дорого. Этот код быстрее, и его можно запустить на ноутбуке», – отмечает Гуриан.

Разработка нового кода позволит более детально изучить влияние взаимодействующей тёмной материи на формирование космических структур. По словам Нила Далала, сотрудника Института «Периметр», работа Гуриана и Мэя открывает возможности для широкого спектра исследований, которые ранее были невозможны. В частности, понимание процесса гравитермального коллапса может пролить свет на механизм образования чёрных дыр.