Исследованием руководила космолог Вера Глущевич, которая является адъюнкт-профессором Колледжа литературы, искусств и наук Дорнсайфа при Университете Калифорнии; а также Итан Надлер, бывший постдок в обсерваториях USC и Карнеги, который в настоящее время является доцентом Калифорнийского университета в Сан-Диего; и Эндрю Бенсон, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего. штатный научный сотрудник обсерватории Карнеги.

Они назвали свой проект моделирования "COZMIC" - сокращение от "Космологическое масштабное моделирование с начальными условиями за пределами холодной темной материи".

Ученые десятилетиями знали, что темная материя существует, но до сих пор они не могли изучить, как рождаются и эволюционируют галактики во вселенной, где взаимодействуют темная и нормальная материя. По словам команды, COZMIC сделал это возможным.

Разработка COZMIC и результаты команды описаны в трех исследованиях, опубликованных 16 июня в Astrophysical Journal, издании Американского астрономического общества.

Сердце темной материи

Ученые знают, что темная материя реальна, потому что она влияет на то, как галактики движутся и слипаются. Например, галактики вращаются так быстро, что должны были бы разлететься в стороны, но они этого не делают. Что-то невидимое удерживает их вместе; многие ученые полагают, что в основе этого лежит темная материя - идея, впервые предложенная в 1933 году швейцарским исследователем Фрицем Цвикки. С тех пор исследования темной материи эволюционировали.

Темную материю сложно изучать, потому что она не излучает никакого света или энергии, которые можно было бы легко обнаружить. Ученые изучают темную материю, наблюдая за тем, как она влияет на движения и структуры, подобные галактикам. Однако это в некотором роде похоже на изучение чьей-то тени без возможности детально изучить реального человека, отбрасывающего тень.

Для этого набора исследований исследовательская группа предприняла шаг по внедрению новой физики - не только стандартной физики элементарных частиц и теории относительности - и запрограммировала суперкомпьютер на создание очень подробных космологических симуляций с помощью COZMIC, чтобы проверить различные идеи о том, что может делать темная материя.

"Мы хотим измерить массы и другие квантовые свойства этих частиц, и мы хотим измерить, как они взаимодействуют со всем остальным", - сказал Глущевич. "С помощью COZMIC мы впервые можем моделировать галактики, подобные нашей собственной, в соответствии с радикально отличающимися физическими законами - и проверять эти законы на основе реальных астрономических наблюдений".

Помимо Глусевича, Надлера и Бенсона, в команду, стоящую за COZMIC, входят Хай-Бо Ю из Калифорнийского университета в Риверсайде; Данен Ян, ранее работавший в Калифорнийском университете в Риверсайде, а ныне в обсерватории Пурпурной горы CAS; Сяолун Ду из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; и Руи Ан, ранее работавший в USC.

Несколько сценариев развития событий с темной материей

"Наше моделирование показывает, что наблюдения за самыми маленькими галактиками могут быть использованы для различения моделей темной материи", - сказал Надлер.

В ходе исследований с помощью COZMIC ученые учли следующие сценарии поведения темной материи:

• Модель бильярдного шара: В этом первом исследовании каждая частица темной материи сталкивается с протонами на ранней стадии развития Вселенной, во многом подобно бильярдным шарам, когда они впервые приходят в движение. Это взаимодействие сглаживает мелкомасштабные структуры и устраняет галактики-спутники в Млечном Пути. Исследование также включает сценарии, в которых темная материя движется с высокими скоростями, и другие, в которых она состоит из частиц чрезвычайно малой массы.
• Модель смешанного сектора: Это второе исследование представляет собой гибридный сценарий, в котором некоторые частицы темной материи взаимодействуют с обычной материей, но другие проходят сквозь нее.
• Модель самовзаимодействия: Для этого третьего исследования ученые смоделировали сценарий, в котором темная материя взаимодействует сама с собой как на заре времен, так и сегодня, изменяя формирование галактик на протяжении всей космической истории.

По словам Бенсона, во время выполнения этих симуляций ученые вводят новую физику в суперкомпьютер, чтобы создать галактику, структура которой несет в себе признаки этих взаимодействий между обычной и темной материей.

Глущевич добавил: "В то время как многие предыдущие наборы для моделирования исследовали эффекты массы темной материи или самовзаимодействия, до сих пор ни один из них не моделировал взаимодействия темной материи с обычной материей. Такие взаимодействия не являются экзотическими или неправдоподобными. На самом деле они, скорее всего, существуют".

Новый день для темной материи

Команда говорит, что это большой шаг вперед в выяснении того, что на самом деле представляет собой темная материя. Они надеются, что, сравнив свои галактики-близнецы со снимками, полученными в реальном телескопе, они смогут еще больше приблизиться к разгадке одной из самых больших тайн космоса.

"Мы наконец-то можем спросить: "Какая версия Вселенной больше всего похожа на нашу?" - сказал Глущевич.

Команда COZMIC планирует расширить свою работу, непосредственно протестировав предсказания, полученные в результате их моделирования, с использованием данных телескопа, чтобы они могли обнаружить признаки поведения темной материи в реальных галактиках.

Этот следующий этап может как никогда приблизить ученых к пониманию того, что такое темная материя и как она формирует космос.