Учёные приблизились к разгадке тёмной материи, создав цифровых двойников Млечного Пути

Карты плотности тёмной материи (DM) при z = 0 для подмножества высокодетализированных симуляций за пределами стандартной модели холодной тёмной материи (CDM) для системы, подобной Млечному Пути (Halo004). Визуализация для каждой симуляции центрирована на основном гало и охватывает 1.5 его вириального радиуса. Масштаб half-mode одинаков для всех моделей в каждом столбце, за исключением моделей IDM в левом столбце, которые соответствуют сечениям взаимодействия для m_IDM = 10⁻² ГэВ с n = 2 (третья строка) и n = 4 (четвёртая строка). Визуализация для m_WDM = 6.5 кэВ выделена как эталонная модель, используемая в исследовании. Обратите внимание, что карты плотности для m_WDM = 10 кэВ и m_FDM,22 = 490 визуально схожи с CDM. Визуализации созданы с помощью meshoid (https://github.com/mikegrudic/meshoid). Автор: The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adceef

Исследовательская группа под руководством Университета Южной Калифорнии (USC) создала серию суперкомпьютерных симуляций-двойников нашей галактики Млечный Путь. Это может помочь учёным приблизиться к разгадке одной из главных тайн Вселенной — тёмной материи, невидимой субстанции, составляющей около 85% всей материи во Вселенной.

Исследование возглавила космолог Вера Глушчевич, доцент USC Dornsife College of Letters, Arts, and Sciences, совместно с Итаном Надлером (бывшим постдоком USC и Carnegie Observatories, ныне ассистент-профессором Калифорнийского университета в Сан-Диего) и Эндрю Бенсоном, научным сотрудником Carnegie Observatories.

Проект получил название «COZMIC» — сокращение от «Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter» («Космологические масштабируемые симуляции с начальными условиями за пределами холодной тёмной материи»).

Учёные десятилетиями знали о существовании тёмной материи, но до сих пор не могли изучить, как галактики рождаются и эволюционируют во Вселенной, где взаимодействуют тёмная и обычная материя. COZMIC сделал это возможным, заявила команда.

Разработка COZMIC и результаты исследования описаны в трёх статьях, опубликованных 16 июня 2025 года в журнале The Astrophysical Journal (см. COZMIC I, COZMIC II и COZMIC III).

Сердце тёмной материи

Учёные уверены в реальности тёмной материи, потому что она влияет на движение и структуру галактик. Например, галактики вращаются так быстро, что должны разлетаться, но этого не происходит. Что-то невидимое удерживает их вместе; многие учёные считают, что ключевую роль здесь играет тёмная материя — идея, впервые предложенная швейцарским исследователем Фрицем Цвикки в 1933 году. С тех пор исследования тёмной материи значительно продвинулись.

Тёмную материю сложно изучать, потому что она не испускает свет или энергию, которые можно легко зафиксировать. Учёные исследуют её, наблюдая за тем, как она влияет на движение и структуры, такие как галактики. Однако это похоже на изучение чьей-то тени без возможности рассмотреть самого человека, который её отбрасывает.

Для этой серии исследований команда использовала новые физические модели — не только стандартную физику частиц и теорию относительности — и запрограммировала суперкомпьютер на создание детализированных космологических симуляций через COZMIC, чтобы проверить различные гипотезы о поведении тёмной материи.

«Мы хотим измерить массы и другие квантовые свойства этих частиц, а также понять, как они взаимодействуют со всем остальным», — сказала Глушчевич. «С COZMIC мы впервые смогли смоделировать галактики, подобные нашей, в условиях радикально отличающихся физических законов — и проверить эти законы на реальных астрономических наблюдениях».

Помимо Глушчевич, Надлера и Бенсона, в команду COZMIC вошли Хай-Бо Ю из UC Riverside; Данен Янг, ранее работавший в UC Riverside, а ныне в Purple Mountain Observatory CAS; Сяолонг Ду из UCLA; и Руи Ан, ранее сотрудник USC.

Различные сценарии тёмной материи

«Наши симуляции показывают, что наблюдения за самыми маленькими галактиками могут помочь различить модели тёмной материи», — сказал Надлер.

В рамках проекта COZMIC учёные рассмотрели следующие сценарии поведения тёмной материи:

• Модель бильярдных шаров: В первом исследовании каждая частица тёмной материи сталкивается с протонами в ранней Вселенной, подобно бильярдным шарам при начале игры. Это взаимодействие сглаживает мелкомасштабные структуры и устраняет спутниковые галактики Млечного Пути. Исследование также включает сценарии, где тёмная материя движется с высокой скоростью, и другие, где она состоит из частиц чрезвычайно малой массы.
• Гибридная модель: Второе исследование рассматривает сценарий, в котором одни частицы тёмной материи взаимодействуют с обычной материей, а другие проходят сквозь неё.
• Модель самовзаимодействия: В третьем исследовании учёные смоделировали ситуацию, где тёмная материя взаимодействует сама с собой как в ранней Вселенной, так и сегодня, изменяя процесс формирования галактик на протяжении космической истории.

Запуская эти симуляции, учёные вводили новые физические законы в суперкомпьютер, чтобы получить галактику, структура которой отражает взаимодействия между обычной и тёмной материей, пояснил Бенсон.

«Хотя многие предыдущие симуляции изучали влияние массы тёмной материи или её самовзаимодействий, до сих пор никто не моделировал её взаимодействие с обычной материей. Такие взаимодействия не являются экзотическими или маловероятными. Напротив, они, скорее всего, существуют», — добавила Глушчевич.

Новый этап в изучении тёмной материи

Команда считает, что это большой шаг вперёд в понимании природы тёмной материи. Они надеются, что, сравнивая свои цифровые двойники с реальными изображениями телескопов, смогут приблизиться к разгадке одной из величайших тайн космоса.

«Теперь мы наконец можем задать вопрос: „Какая версия Вселенной больше всего похожа на нашу?“» — сказала Глушчевич.

Команда COZMIC планирует расширить свою работу, напрямую сравнивая предсказания симуляций с данными телескопов, чтобы обнаружить признаки поведения тёмной материи в реальных галактиках.

Этот следующий этап может приблизить учёных к пониманию того, что такое тёмная материя и как она формирует космос.

Дополнительная информация: Ethan O. Nadler et al, COZMIC. I. Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions Beyond Cold Dark Matter, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adceef
Rui An et al, COZMIC. II. Cosmological Zoom-in Simulations with Fractional non-CDM Initial Conditions, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adce83
Ethan O. Nadler et al, COZMIC. III. Cosmological Zoom-in Simulations of Self-interacting Dark Matter with Suppressed Initial Conditions, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adce82

Источник: University of Southern California