Исследовательская группа, в которую вошли американские специалисты из университета Южной Калифорнии, обсерватории Карнеги и Калифорнийского университета в Сан-Диего, представила серию уникальных суперкомпьютерных моделей Млечного Пути. Этот цифровой «двойник» нашей галактики стал инструментом для изучения одной из величайших загадок современной физики — природы темной материи. Работа опубликована в The Astrophysical Journal сразу в трех статьях.
Темная материя — это невидимая субстанция, на долю которой приходится около 85% всей материи во Вселенной. Она не испускает света, не взаимодействует с электромагнитным излучением и не может быть обнаружена напрямую. Однако ее присутствие проявляется через гравитационное воздействие — галактики вращаются с такой скоростью, что без дополнительной массы должны были бы буквально разлететься, но удерживаются за счет некой «невидимой» силы. Это феномен, напоминающий изучение тени без возможности увидеть тот объект, который ее отбрасывает. Еще в 1933 году идею о существовании темной материи выдвинул швейцарский астроном Фриц Цвикки, с тех пор ученые ищут способы понять, из чего она состоит.
Чтобы продвинуться в этом направлении, ученые разработали космологические симуляции под названием COZMIC (Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter). С помощью суперкомпьютеров они смоделировали галактики, подобные Млечному Пути, но в условиях, где действуют разные физические сценарии, в том числе выходящие за рамки стандартной модели частиц.
Модели COZMIC позволяют протестировать, как темная материя могла бы вести себя, если бы ее свойства отличались от привычных предположений. В одном сценарии она взаимодействует с обычной материей как бильярдные шары, сталкиваясь с протонами на заре Вселенной. Это сглаживает мелкомасштабные структуры и объясняет исчезновение галактик-спутников Млечного Пути. В другом варианте некоторые частицы темной материи взаимодействуют с окружающей материей, а другие — нет. Наконец, в третьей модели она взаимодействует сама с собой, влияя на эволюцию галактик на протяжении всей космической истории.
Каждый из этих сценариев приводит к формированию галактик с отличающимися характеристиками. Сопоставляя такие цифровые «вселенные» с астрономическими наблюдениями, ученые могут понять, какая гипотеза ближе к истине. Например, модель с активным взаимодействием темной материи с обычной хорошо объясняет исчезновение некоторых малых спутниковых галактик — эффект, который наблюдается телескопами.
Как подчеркивает космолог Вера Глушевич, доцент Колледжа литературы, искусств и наук Дорнсайфа при университете Южной Калифорнии, COZMIC впервые позволяет задать принципиально новый вопрос: какая версия физики лучше описывает наш космос? Следующий шаг — сравнить результаты моделирования с данными современных телескопов. Этот этап может приблизить нас к пониманию того, что именно скрывается за «темной стороной» Вселенной.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что экзокостюм с «пузырчатыми мышцами» поможет людям освоить Марс.