Суперкомпьютер информирует: нас окружают тёмные невидимки

Американские учёные использовали самый мощный суперкомпьютер NASA для имитации формирования гало из тёмной материи, окружающей Млечный путь. Полученная модель получилась на удивление подробной и поведала много интересного об истории нашей галактики.

Каждая галактика окружена тёмной материей. Её невозможно увидеть при прямом наблюдении, но убедиться в существовании этой материи можно косвенно — по её гравитационному воздействию. Это невидимое для приборов гало намного больше яркой центральной части и имеет практически сферическую форму.

 

 

Недавние исследования показали, что гало очень "комковатое" по структуре. Однако, как стало ясно из новой модели, структура гало Млечного пути гораздо более сложная, чем считалось ранее.

По словам исследователей, обнаружено почти 10 тысяч подструктур меньшего размера (субгало) — это на порядок больше, чем в любом другом предыдущем исследовании. А некоторые из субгало, оказывается, имеют ещё и собственные подструктуры — субсубгало. "Теоретически такое предполагалось, но на модели это было показано впервые ", — говорит профессор университета Калифорнии в Санта-Круз (University of California Santa Cruz — UCSC) Пьеро Мадо (Piero Madau), проводивший это исследование.

Распределение тёмной материи в Млечном пути 13,3 миллиарда лет назад, через 460 миллионов лет после Большого Взрыва. Практически, это начальные условия моделирования (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).

Астроном Юрг Диман (Jürg Diemand) из того же университета сообщил, что результаты этой работы вновь поднимают вопрос о так называемой "проблеме недостающего спутника". Проблема эта заключается в том, что "скученность" материи в нашей галактике и за её пределами в моделях не соответствует реальным данным.

"Астрономы продолжают открывать ближайшие карликовые галактики, но таких объектов известно около 15, тогда как в нашей модели получилось 120 субгало сопоставимого размера. Так где же находятся их галактики и почему мы их не видим?.." — увы, Диман, задающий этот вопрос, ответа не знает, да и мы ему помочь ничем не можем. Действительно, почему же мы их не видим?

Распределение тёмной материи в Млечном пути в разные периоды. Верхний ряд: 12,8, 12,0 и 10,3 миллиарда лет назад; нижний ряд: 6,8, 3,4 миллиарда лет назад и настоящее время (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).

Пока что природа тёмной материи остаётся неизвестной, хотя из неё, по оценкам учёных, состоит 82% вещества Вселенной. В итоге получается, что именно эта таинственная и незримая субстанция играет основную роль в масштабных гравитационных взаимодействиях и развитии галактик.

Их эволюция начинается как раз с того, что "нормальная" материя падает в "гравитационные колодцы", созданные сгущениями тёмной материи. Затем она попадает в их центры, подвергается сжатию со всеми вытекающими последствиями (разогрев, ядерные реакции) и в дальнейшем даёт жизнь галактикам.

Используя астрофизические данные, учёные UCSC воспроизвели механизм формирования сгустков тёмной материи. Процесс моделирования длился несколько месяцев. Оно проводилось на Columbia — самом крутом из суперкомпьютеров NASA, использовавшем от 300 до 400 процессоров, и заняло 320 тысяч часов процессорного времени.

Кстати, если верить Диману, работа выполнена на пределе возможностей современной компьютерной техники.

Четыре самых крупных субгало тёмной материи в наши дни. Как видно, внутри этих субгало находятся пятнышки поменьше — субсубгало (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).

Как рассказал соавтор работы Майкл Кален (Michael Kuhlen), для начальных условий используются самые последние данные, полученные от зонда микроволновой анизотропии имени Уилкинсона (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe — WMAP; мы уже писали про другие открытия, сделанные с его помощью: I, II, III, IV). В общем, модель строилась не только из теоретических соображений.

Начальный момент моделирования — Вселенная в возрасте каких-то 50 миллионов лет. В этом процессе анализировалось поведение тёмной материи (условно обозначенной в виде 234 миллионов частичек) от самого раннего времени до современного состояния, когда гало Млечного пути сформировалось в своём нынешнем виде.

Карта распределения гамма-излучения, вызванного, по мнению исследователей, аннигиляцией в тёмной материи. На врезке слева — направление, противоположное движению к центру галактики. Справа — самое крупное субгало тёмной материи (иллюстрация J. Diemand, M. Kuhlen, P. Madau).

Первоначально отклонения плотности тёмной материи были незначительными, но со временем возникли неоднородности, которые позже стали более выраженными. Затем эти неоднородности начали постепенно формировать сферическое гало. Можете посмотреть ролик (файл MPG; 4,7 мегабайта) с анимацией этого процесса. Однако внутри этих неоднородных облаков иногда удаётся выделить ещё меньшие неоднородности.

В модели гало учёные обнаружили пять массивных субгало (каждое по 30 миллионов масс Солнца) и множество гало ещё меньшего размера, занимающих около 10% всего объёма гало.

	Один из участников исследования — Майкл Кален. Не исключено, что здесь он иллюстрирует какой-то астрофизический процесс. Возможно, даже вращение Галактики (фото с сайта ucolick.org).

"В области, где мог бы находиться диск Млечного пути, располагаются большие скопления тёмной материи. И распределение тёмной материи здесь может оказаться более сложным, чем мы думали", — признался Диман.

Возможно, пронаблюдать тёмную материю астрономы смогут в будущем с помощью гамма-телескопов. Правда, только в том случае, если тёмная материя содержит такие частицы, при взаимодействии которых излучается рентген. Один из самых вероятных кандидатов — это нейтралино, элементарные частицы (ими учёные уже давно интересуются), предсказанные теорией суперсимметрии. Предположительно, они при некоторых условиях могут аннигилировать, в результате чего будут появляться долгожданные гамма-кванты.

"Существующие рентгеновские телескопы пока не зарегистрировали аннигиляции в областях тёмной энергии, но есть надежда, что когда аппаратура станет чувствительнее, отдельные субгало смогут проявить себя", — считает Кален.

В частности, астрономы ожидают интересных результатов от большого космического гамма-телескопа (Gamma-ray Large Area Space Telescope — GLAST), который отправят на орбиту в следующем году (пусть заодно поищет "местные" чёрные дыры).

Часть суперкомпьютера Columbia, использовавшегося для отслеживания эволюции тёмной материи (фото NASA Ames Research Center/Tom Trower).

Кстати, модель пригодится не только для получения знаний о пока что невидимых скоплениях тёмной материи, но и для изучения самых древних звёзд нашей галактики.

"Первые малые галактики сформировались очень давно — около 500 миллионов лет после Большого Взрыва. А в нашей галактике до сих пор есть звёзды, сформировавшиеся в то время — эдакие ископаемые звёздной эволюции. Наша имитация объясняет условия, в которых эти звёзды сформировались, и то, как они попали в карликовые галактики, находящиеся в гало Млечного пути", — подытожил Диман.

Статья получена: Membrana.ru