Команда ученых из Университета Южной Калифорнии (USC) создала серию виртуальных двойников Млечного Пути с помощью суперкомпьютера. Эти симуляции помогут разгадать одну из главных загадок Вселенной — темную материю, невидимую субстанцию, которая составляет 85% всей материи в космосе.

Темная материя — гипотетическая форма материи, которая не испускает, не поглощает и не отражает свет, но проявляется через гравитационное воздействие на видимые объекты, например, галактики.

Исследованием руководила космолог Вера Глусевич, доцент USC Dornsife, вместе с коллегами Итаном Надлером (ныне в UCSD) и Эндрю Бенсоном из обсерваторий Карнеги. Они назвали проект COZMIC — сокращение от Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter — Космологические детализированные симуляции с начальными условиями за пределами стандартной модели темной материи. Не пытайтесь вникнуть, как и что сокращали; мы в редакции не смогли прийти к единому мнению.

Ученые давно знают, что темная материя существует — ее гравитация удерживает галактики от разлетания. Но как именно она влияет на их формирование, оставалось загадкой. Теперь COZMIC позволяет смоделировать этот процесс.

Результаты опубликованы в трех статьях (1, 2, 3) в издании The Astrophysical Journal.

Как изучают невидимое

Темную материю нельзя увидеть — она не излучает свет. Но ее присутствие выдают странности в движении галактик: они вращаются так быстро, что должны разлетаться, но что-то невидимое их удерживает. Первым эту идею выдвинул швейцарский астроном Фриц Цвикки еще в 1933 году.

С помощью COZMIC ученые впервые смогли проверить разные гипотезы о природе темной материи, запрограммировав суперкомпьютер на создание галактик в альтернативных физических условиях.

Три сценария поведения темной материи

• Бильярдные шары: частицы сталкиваются с обычной материей, «разглаживая» структуру галактик и уменьшая число спутников Млечного Пути.
• Гибридная модель: часть частиц взаимодействует с обычной материей, а часть проходит сквозь нее.
• Само взаимодействие: темная материя влияет сама на себя, меняя формирование галактик с момента Большого Взрыва.

Раньше никто не моделировал взаимодействие темной материи с обычной — а оно почти наверняка существует, — говорит Глусевич.

Теперь ученые сравнят симуляции с реальными данными телескопов.

Мы наконец можем спросить: какая версия Вселенной больше похожа на нашу?

Этот проект — шаг к пониманию фундаментальных законов Вселенной. Если удастся определить свойства темной материи, то это:

• Перевернет физику: возможно, откроются новые частицы или силы.
• Уточнит космологические модели: предсказания о судьбе Вселенной станут точнее.
• Поможет в астрономии: объяснит аномалии в движении галактик.

Отметим, что хотя симуляции — мощный инструмент, их точность зависит от начальных условий. Если в реальности темная материя ведет себя сложнее, чем в моделях, выводы могут оказаться неточными.

Ранее ученые заявили, что открытие аксиона поможет понять свойства темной материи.