Новый метод описания систем тёмной материи | Наука 21 век

Наука 21 век » Новый метод описания систем тёмной материи





Новый метод описания систем тёмной материи

Февраль 3rd, 2012

Российские физики предложили новый метод описания систем тёмной материиСотрудники Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН предложили оригинальный энтропийный метод описания эволюционирующих гало тёмной материи (ТМ). Под тёмной материей космологи, напомним, подразумевают нерелятивистские массивные частицы, взаимодействующие между собой и с другими частицами только гравитационным образом. Она имеет небарионную природу и, оставаясь невидимой, проявляет себя тем, что влияет на движение видимых тел (галактик, звёзд, газа) и отклоняет лучи света при линзировании. В силу своего нерелятивизма ТМ гравитационно неустойчива: по мере космологического расширения она фрагментируется на «комки» разных размеров — гало.

Российские физики предложили новый метод описания систем тёмной материиНаблюдаемые гало (галактики, их группы и скопления) представляют собой системы частиц, гравитационно связанные по всем трём пространственным направлениям. Их размеры и масса не превышают нескольких мегапарсеков и ~1015 масс Солнца.

Процесс образования гало ТМ исследуется путём численного моделирования эволюции системы N тел, гравитационно взаимодействующих друг с другом, на суперкомпьютерах. Профиль плотности гало, которые формируются в этих расчётах, описывается аппроксимацией Наварро — Френка — Уайта вида ρ ∝ 1/[r•(r + rs)2], где r — расстояние от центра, а rs — константа.

Такой профиль хорошо соответствует наблюдаемому распределению плотности в скоплениях галактик. Однако адекватно воспроизводить характеристики систем с малыми и умеренными массами теоретики пока не научились: приведённая выше формула даёт понять, что в численных моделях величина ρ в центре гало стремится к бесконечности, образуя так называемый центральный касп (от англ. cusp — заострённая вершина), а во Вселенной подобные каспы не обнаруживаются. К примеру, недавно мы рассказывали об исследовании карликовых сфероидальных галактик, результаты которого согласуются с моделью гало ТМ, содержащего «ядро» постоянной плотности размером в несколько сотен парсеков.

Отметим, что вопрос о реальности каспов важен не только в контексте формирования галактик. Его также можно связать с фундаментальной физикой частиц тёмной материи, поскольку существование каспов положено в основу некоторых методик поиска продуктов (возможной) аннигиляции ТМ.

Чтобы построить массивный касп, необходимо накопить множество холодных частиц ТМ с достаточно малыми скоростями в его центре. Если бы реальная ТМ была изначально тёплой, в центрах гало при вычислениях формировались бы «ядра» и никаких расхождений между наблюдательными и расчётными данными не возникало бы. К несчастью, это предположение, при всей его простоте и некоторой теоретической обоснованности, выходит за рамки стандартной космологической модели, рассматривающей частицы как изначально холодные.

Другое решение, найденное авторами, не предполагает серьёзной модификации стандартной модели. В своих расчётах они переходят от плотности к энтропии, мотивируя это тем, что энтропия для большинства частиц возрастает в процессе формирования и релаксации гало и служит интегральной характеристикой всей истории его образования. Применяя новый аналитический метод описания, физики показали, что космологические случайные движения вещества должны «подогревать» частицы в протогало, подавляя создание каспов и, напротив, способствуя появлению «ядер» ТМ в галактиках.

«На вопрос о том, способна ли природа порождать сингулярные каспы, мы отвечаем отрицательно, — подводит итоги исследования доктор физико-математических наук Владимир Лукаш. — По нашему мнению, проблема каспов разрешима в рамках стандартной модели». Полное описание новой методики можно найти в статье «К решению проблем каспов и кривых вращения в гало тёмной материи в космологической стандартной модели», опубликованной в январском номере журнала «Успехи физических наук».

по информации compulenta.ru