Российские ученые предложили новый метод описания поведения темной материи

Как сообщает АНИ «ФИАН-информ», группа ученых из Астрокосмического центра ФИАН провела исследования, посвященные образованию крупномасштабной структуры Вселенной, в частности, проблемам, связанным с вириализованными гало темной материи.

По результатам проведенной работы исследователи представили новый метод описания систем темной материи, который позволяет решить космологическую проблему каспов - расхождения плотности темной материи в центре гало.

Как известно, под темной материей в космологической стандартной модели подразумевают нерелятивистские массивные частицы, взаимодействующие между собой и с другими частицами только гравитационным образом. Эту материю называют «темной», поскольку она невидима (т. е. не взаимодействует со светом).

Темная материя составляет 23 процента от полной массы Вселенной и именно благодаря этой форме материи возникают галактики. В силу своего нерелятивизма темная материя гравитационно неустойчива - в ходе космологического расширения она вся фрагментируется на гравитационно-связанные комки с разными массами, которые получили название гало темной материи и являются основой для формирования галактик.

Процесс образования гало нелинейный и моделируется численными методами с помощью суперкомпьютеров (задача N-тел). При анализе расчетов и выявляется проблема - в численных моделях внутри галактических гало образуется касп - расхождение плотности темной материи в центре образования. В природе же каспы не наблюдаются, что остается важнейшей нерешенной проблемой, ставящей под удар стандартную модель.

Исследователи ФИАН предложили энтропийный метод описания равновесных систем темной материи, который позволит исследовать эти сложные нелинейные структуры аналитически и связать профили распределения плотности внутри гало как с параметрами начального мелкомасштабного поля неоднородностей, так и с характеристиками нелинейной релаксации гравитационно-сжатого вещества.

По словам авторов работы, космологические случайные движения вещества как бы «подогревают» частицы темной материи в коллапсирующих протогало, что приводит к подавлению каспоподобных профилей плотности внутри формирующихся гало, способствует образованию ядер темной материи в галактиках и позволяет объяснить различие между наблюдаемыми и полученными в численном эксперименте кривыми вращения галактик.

Владимир Лукаш, заведующий Отделом теоретической астрофизики, доктор физико-математических наук, говорит: «На вопрос: способна ли природа порождать сингулярные каспы, мы отвечаем - нет. Мы доказываем, что проблема каспов разрешима в рамках стандартной модели».

Работа ученых показывает, что эффект «подогрева» препятствует образованию каспов и сглаживает плотность материи в центре гало. Учет этого эффекта позволяет объяснить различие в кривых вращения галактик, полученных с помощью наблюдений, и в численном эксперименте, а также решает проблему внутренней структуры равновесных гало темной материи в рамках стандартной модели.