Высокоточные модели, использованные при численном моделировании командой ученых из Варшавского университета, ФИАНа и Института астрофизики в Потсдаме позволили проследить эволюцию больших скоплений темной материи и обычного вещества, которые вместе заполняют Вселенную. Полученные результаты подтверждают давно выдвинутые гипотезы, касающиеся свойств темной материи и, в первую очередь, ее распределения в пространстве на космологических масштабах.
В течение нескольких десятилетий астрономы пытаются объяснить движение звезд в галактиках и галактик в галактических кластерах. Измерения показывают, что средняя галактика должна содержать невидимой материи в 10-50 раз больше, чем обычной. Для галактических кластеров это отношение увеличивается в 100 раз. «Судя по всему, обычная материя, которая составляет всю нашу ежедневную жизнь, на самом деле является лишь небольшим дополнением к темной материи. Ее во Вселенной как минимум в 6 раз больше, и никто не знает, что же это такое на самом деле. Углубление в ее природу будоражит», – говорит профессор факультета физики Варшавского университета Марек Демиански.
В настоящее время предполагается, что темная материя состоит из особенных частиц, пока еще неизвестных человеку. Эти частицы очень слабо взаимодействуют с электромагнитным полем и уже известными элементарными частицами. Или вовсе не взаимодействуют. Во всяком случае, засечь это взаимодействие пока не удалось. Ученые могут изучать темную материю только по косвенным наблюдениям, анализируя влияние гравитационных сил темной материи на движение обычного вещества. Учитывая, насколько много во Вселенной темной материи, логично предположить, что она сыграла важную роль в формировании галактик и их кластеров.
Поэтому ученым чрезвычайно интересно понять, как темная материя распределена в пространстве, какие структуры она образует и образовывала, как эти структуры изменялись. Для того, чтобы ответить на эти вопросы необходимо изучать галактические кластеры, свет от которых шел до Земли не менее 10 миллионов лет. Но такие удаленные объекты довольно трудно заметить, так что имеющиеся данные недостаточны для проведения простого статистического анализа.
Там, где не работают классические математические методы, на помощь приходит компьютерное моделирование. Оно позволяет «наблюдать» процессы скопления темной материи на больших пространственных интервалах, а также изучать ее воздействие на обычную материю. Сравнивая данные, полученные при численном моделировании с наблюдениями можно расширить границы нашего знания о темной материи, и утверждать, что новые гипотезы коррелируют с действительностью.
Вскоре после Большого Взрыва как темная, так и обычная материя были распределены более-менее равномерно. В отличие от обычно материи, темная материя не взаимодействует с электромагнитной радиацией, заполнившей Вселенную после Большого Взрыва. Поэтому темная материя могла быстрее собраться в сгустки под действием собственно гравитации, не было возмущающих сил. Небольшие неравномерности в распределении темной материи привели к началу ее движения под действием гравитации, что привело к образованию сгустков, которые все сильнее притягивали темную, а затеи и обычную материю. Этот процесс и моделировала международная команда ученых.
Во время проведения численного эксперимента ученые проанализировали поведение почти миллиона точек, находящихся в кубе со стороной, равно нескольким сотням световых лет. С течением времени начальный куб расширялся вместе со Вселенной. Около миллиона точек были равномерно распределены в кубе, их число было ограничено вычислительными возможностями. Каждая точка имела массу, в сотни миллионов раз превышающую массу Солнца. Ученые в ходе эксперимента изучали, как с ходом времени ведут себя эти точки, содержащие темную материю, под действием взаимного притяжения.
Одним из наиболее важных выводов, сделанных на основе проведенного моделирования, стало подтверждение гипотезу о том, что процессы эволюции структуры темной и обычной материи аналогичны на больших масштабах. Это означает, что если взять куб через 4 миллиона лет после Большого Взрыва и через 10 миллионов лет, то, после приведения размеров обоих кубов, структуры, состоящие из темной и обычной материи, будут в них аналогичны.
«Это сходство процессов эволюции обоих типов материи делает возможным воссоздание распределения темной материи на основе знания о распределении обычной материи. Наше моделирование подтвердило этот эффект и мы можем теперь с большой долей уверенности сказать, что мы можем получить представление о мире невидимой темной материи, изучая движение галактических кластеров», – заключил профессор Демиански.
