Шамамен бір ғасыр бойы қараңғы материя космологиядағы ең жұмбақ тақырыптардың бірі болып қала беруде. Оны тікелей бақылау мүмкін болмаса да, дәл осы материяның гравитациялық әсері галактикалар мен Әлемнің ірі құрылымдарының қалыптасуына себеп болады. Perimeter институтында екі физик ерекше қараңғы материя түрі — өзара әрекеттесетін қараңғы материяны (SIDM) зерттеп, оның ғарыштық құрылымдардың дамуы мен эволюциясына қалай әсер ететінін анықтауда.

SIDM моделдеуінің жаңа әдістері

Жақында Physical Review Letters журналында жарияланған зерттеуде Джеймс Гурян мен Саймон Мэй SIDM-ның галактикалардың қалыптасуына әсерін зерттеуге арналған жаңа есептеу құралын ұсынды. Олардың әдісі бұрын дәл модельдеу қиын немесе мүмкін болмаған бөлшектердің өзара әрекеттесу түрлерін зерттеуге мүмкіндік береді.

SIDM — бұл қараңғы материяның теориялық түрі, оның бөлшектері бір-бірімен соқтығыса алады, бірақ кәдімгі (бариондық) материямен — протондар, нейтрондар және электрондардан тұратын затпен — әрекеттеспейді. Бұл соқтығыстар серпімді өзара әрекеттесулер арқылы жүреді, бұл қараңғы материяның гало құрылымына — галактикаларды қоршап, олардың эволюциясын анықтайтын массивті шоғырларға — айтарлықтай әсер етуі мүмкін.

Гравитермиялық коллапс және оның маңызы

SIDM-ның өзара әрекеттесетін табиғаты қараңғы материя гало ішінде гравитермиялық коллапс деп аталатын процесті іске қосуы мүмкін. Бұл құбылыс гравитациялық жүйелердің парадоксалды қасиетімен байланысты: энергия жоғалтқан сайын олар суымай, керісінше ыси түседі. Соның нәтижесінде галоның ішкі ядросы барған сайын ыстық әрі тығыз болып, ақырында драмаға толы ядро коллапсына әкелуі мүмкін.

Модельдеудегі қиындықтар және жаңа бағдарламалық код

SIDM-мен қалыптасатын құрылымдарды модельдеу ұзақ уақыт бойы күрделі міндет болып келді. Қолданыстағы әдістер тек белгілі бір жағдайларда жақсы жұмыс істейді: кейбіреулері сирек кездесетін қараңғы материя мен сирек соқтығыстарда тиімді, басқалары — жоғары тығыздық пен жиі өзара әрекеттесулерде. Алайда аралық жағдайлар үшін қолайлы әдіс болмаған еді.

Бұл мәселені шешу үшін Гурян мен Мэй KISS-SIDM деп аталатын жаңа бағдарламалық код жасады. Бұл бағдарлама симуляцияның қолданыстағы әдістерінің арасындағы олқылықты толтырып, жоғары дәлдікке әлдеқайда аз есептеу шығындарымен қол жеткізуге мүмкіндік береді. Код басқа зерттеушілерге қолжетімді және тіпті кәдімгі ноутбукте де іске қосыла алады, бұл оны SIDM-ның әртүрлі параметрлерін тексеруге ыңғайлы құрал етеді.

SIDM-ға деген қызығушылықтың артуы

Өзара әрекеттесетін қараңғы материяға қызығушылық соңғы жылдары артты, бұл ішінара галактикаларда байқалатын, стандартты модельдерге сәйкес келмейтін ерекше құбылыстарға байланысты. Perimeter институтының қызметкері Нил Далал атап өткендей, бақылаулардағы жаңа аномалиялар қараңғы секторда жаңа физиканы енгізуді талап етуі мүмкін. Бұрын мұндай модельдерде ғарыштық құрылымдардың қалыптасуын дәл есептеу мүмкін болмаған, бірақ Гурян мен Мэй әзірлеген әдіс қараңғы материя эволюциясын маңызды өзара әрекеттесулерді ескере отырып зерттеуге жаңа мүмкіндіктер ашады.

Болашағы мен іргелі сұрақтар

Қараңғы материя ядроларының коллапсы ерекше қызықты, себебі ол бақылауға болатын іздер қалдыруы мүмкін, оның ішінде қара құрдымдардың пайда болуымен байланысы да бар. Дегенмен, бұл процестің түпкі нәтижесі әлі де ашық сұрақ болып тұр. Мұндай экстремалды жағдайларды жаңа кодтың көмегімен егжей-тегжейлі зерттеу — қараңғы материяның табиғаты мен Әлем құрылымы туралы ең терең сұрақтарға жауап іздеудегі маңызды қадам.