Науковці створили новий код для картування гало темної матерії

Темна матерія та її вплив на космологію залишаються однією з найбільших загадок фізики вже майже сто років.

У Периметровому інституті двоє дослідників працюють над тим, щоб краще зрозуміти, як один із можливих кандидатів на роль темної матерії — самовзаємодійна темна матерія (SIDM) — може впливати на формування космічних структур.

Джерело: phys.org

У статті, опублікованій 24 листопада 2025 року в Physical Review Letters, Джеймс Ґуріан та Саймон Мей представили новий код для вивчення того, як SIDM впливає на еволюцію галактик, і відкрили можливість моделювати широкий спектр взаємодій частинок, які були практично недоступні попередніми методами.

Темна матерія, що «взаємодіє сама з собою»

SIDM — це модель темної матерії, частинки якої можуть зіштовхуватися й відбиватися одна від одної, але не взаємодіють зі звичайною баріонною матерією (тобто протонами, нейтронами чи електронами). Ці зіткнення зберігають енергію — це так звані пружні самоінтеракції.

Цей процес впливає на гало темної матерії — космологічні структури, які відіграють ключову роль у формуванні зірок і галактик.

«Темна матерія утворює відносно розріджені скупчення, що все ж значно щільніші за середню густину Всесвіту. Молочний Шлях та інші галактики існують усередині таких гало», — пояснює Ґуріан.

Гравотепловий колапс і його наслідки

Властивості SIDM запускають процес під назвою гравотепловий колапс. Він ґрунтується на парадоксальній особливості гравітаційно зв’язаних систем: коли з них виводять енергію, вони стають гарячішими, а не охолоджуються.

«SIDM переносить енергію назовні, і внутрішня частина гало поступово нагрівається й стає щільнішою. Кінцевою стадією є колапс центрального ядра», — каже Ґуріан.

Моделювання цих структур є складним завданням, і фізики користуються двома основними підходами:

• N-body моделювання — ефективне для малих густин, де зіткнення рідкісні;
• гідродинамічний підхід — працює при великих густинах і частих зіткненнях.

«Але для проміжного режиму хорошої методики не було», — зазначає Ґуріан.

KISS-SIDM: відсутня ланка між моделями

Ґуріан і Мей створили код KISS-SIDM, який закриває цю прогалину. Він швидший і точніший за попередні інструменти та є у відкритому доступі для інших дослідників.

«Раніше, щоб перевірити різні параметри для SIDM, доводилося або використовувати надто спрощену модель, або запускати обчислення на великих кластерах — це дуже дорого. Наш код можна запустити навіть на ноутбуці», — пояснює Ґуріан.

Нові можливості для темносекторної фізики

За словами Ніла Далала з Периметрового інституту, зростає інтерес до моделей взаємодійної темної матерії через можливі аномалії в галактичних спостереженнях, які можуть вказувати на нову фізику.

«Раніше точно моделювати формування структур у таких моделях було неможливо. Метод Джеймса та Саймона нарешті дає інструмент для цього», — каже він.

Кращі симуляції SIDM можуть також допомогти зрозуміти, як гравотепловий колапс пов’язаний із формуванням чорних дір — але це питання залишається відкритим.

«Головне питання: який фінальний етап цього колапсу? Ми хочемо дослідити фазу після утворення чорної діри. Цей код — важливий крок у цьому напрямку», — підсумовує Ґуріан.