Группа учёных под руководством Университета Южной Калифорнии создала серию компьютерных моделей двойников нашей галактики Млечный Путь. Это может помочь учёным найти новые ответы на один из самых больших вопросов во Вселенной: что такое тёмная материя — невидимое вещество, которое составляет около 85% всей существующей материи.
Исследование проводилось под руководством космолога Веры Глушчевич, доцента колледжа литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии, а также Итана Надлера, бывшего постдокторанта Университета Южной Калифорнии и обсерваторий Карнеги, который сейчас является доцентом в Калифорнийском университете в Сан-Диего, и Эндрю Бенсона, научного сотрудника обсерваторий Карнеги.
Они назвали свой проект моделирования «COZMIC» — сокращение от «Cosmological Zoom-in Simulations with Initial Conditions beyond Cold Dark Matter» (Космологические симуляции с начальными условиями за пределами Холодной Тёмной Материи).
Учёные десятилетиями знали, что тёмная материя существует, но до сих пор они не могли изучить, как галактики рождаются и развиваются во Вселенной, где тёмная и обычная материя взаимодействуют. COZMIC сделал это возможным, сообщила команда.
Разработка COZMIC и результаты работы группы описаны в серии статей, опубликованных сегодня (в понедельник, 16 июня) в «The Astrophysical Journal», издании Американского астрономического общества (см. [COZMIC I](https://doi.org/10.3847/1538-4357/adceef), [COZMIC II](https://doi.org/10.3847/1538-4357/adce83) и [COZMIC III](http://doi.org/10.3847/1538-4357/adce82)).
Учёные знают, что тёмная материя реальна, потому что она влияет на движение галактик и их объединение. Например, галактики вращаются так быстро, что должны разлетаться, но этого не происходит. Что-то невидимое удерживает их вместе; многие учёные считают, что в основе этого лежит тёмная материя — идея, впервые предложенная в 1933 году швейцарским исследователем Фрицем Цвикки.
Тёмную материю сложно изучать, потому что она не излучает свет или энергию, которые можно было бы легко обнаружить. Учёные изучают тёмную материю, наблюдая за тем, как она влияет на движение и структуру галактик. Однако это несколько похоже на изучение чьей-то тени, не имея возможности детально рассмотреть человека, который её отбрасывал.
Для серии исследований команда учёных использовала новые физические принципы — не только стандартную физику элементарных частиц и теорию относительности — и запрограммировала суперкомпьютер для создания очень детальных космологических симуляций с помощью COZMIC, чтобы проверить различные идеи о том, что может делать тёмная материя.
«Мы хотим измерить массы и другие квантовые свойства этих частиц, и мы хотим измерить, как они взаимодействуют со всем остальным, — сказала Глушчевич. — С помощью COZMIC мы впервые можем смоделировать галактики, подобные нашей, при радикально иных физических законах — и проверить эти законы на соответствие реальным астрономическим наблюдениям».
Помимо Глушчевич, Надлера и Бенсона, в команду COZMIC входят Хай-Бо Ю из Калифорнийского университета в Риверсайде; Данэн Ян, бывший сотрудник Калифорнийского университета в Риверсайде, а ныне сотрудник обсерватории Пурпурной горы CAS; Сяолун Ду из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; и Руи Ан, бывший сотрудник Университета Южной Калифорнии.
«Наши симуляции показывают, что наблюдения за самыми маленькими галактиками можно использовать для различения моделей тёмной материи», — сказал Надлер.
Во время симуляций учёные ввели в суперкомпьютер новые физические принципы, чтобы создать галактику, структура которой несёт в себе следы взаимодействий между обычной и тёмной материей, — сказал Бенсон.
Глушчевич добавила: «Хотя многие предыдущие серии симуляций изучали влияние массы тёмной материи или её самовзаимодействий, до сих пор ни одна из них не моделировала взаимодействие тёмной материи с обычной материей. Такие взаимодействия не являются экзотическими или неправдоподобными. На самом деле они, скорее всего, существуют».
Команда говорит, что это большой шаг вперёд в понимании того, что такое тёмная материя на самом деле. Они надеются, что, сравнивая свои двойные галактики с реальными изображениями, полученными с помощью телескопов, они смогут приблизиться к разгадке одной из величайших загадок космоса.
«Мы наконец-то можем задать вопрос: „Какая версия Вселенной больше всего похожа на нашу?“» — сказала Глушчевич.
Команда COZMIC планирует расширить свою работу, напрямую проверив предсказания своих симуляций с помощью данных телескопов, чтобы обнаружить признаки поведения тёмной материи в реальных галактиках. Этот следующий этап может приблизить учёных, чем когда-либо, к пониманию того, что такое тёмная материя и как она формирует космос.
Предоставлено: [Университет Южной Калифорнии](https://phys.org/partners/university-of-southern-california/)