Физики создали новый код для изучения эволюции тёмной материи во Вселенной
Учёные из Perimeter Institute представили вычислительный прорыв в исследовании тёмной материи — загадочной субстанции, формирующей структуру Вселенной и остающейся недоступной для прямого наблюдения. Разработанный ими программный инструмент впервые позволяет эффективно моделировать эволюцию гало самовзаимодействующей тёмной материи (Self‑Interacting Dark Matter, SIDM) в широком диапазоне условий. Это открывает путь к более глубокому пониманию того, как невидимые структуры тёмной материи меняются со временем и каким образом они влияют на формирование и динамику галактик, включая Млечный Путь.
Исследование выполнено командами Perimeter Institute и опубликовано 24 ноября 2025 года в журнале Physical Review Letters под названием “Core Collapse Beyond the Fluid Approximation: The Late Evolution of Self‑Interacting Dark Matter Halos”. О работе сообщили научные издания, включая SciTechDaily.
Новый инструмент для космической тёмной материи
По современным оценкам, тёмная материя составляет около 85 % всей материи во Вселенной, однако её физическая природа остаётся одной из главных загадок космологии. Учёные судят о её существовании не по излучению, а по гравитационному воздействию: именно тёмная материя формирует массивные гало вокруг галактик, удерживая звёзды, газ и пыль и определяя крупномасштабную структуру космоса.
Новое программное обеспечение, получившее название KISS‑SIDM, разработали Джеймс Гуриан и Саймон Мэй. Код объединяет два классических подхода к моделированию тёмной материи — режимы редких столкновений частиц и частых взаимодействий — в единый алгоритм. Благодаря этому удаётся существенно повысить как точность, так и скорость расчётов, особенно при моделировании долгосрочной эволюции гало SIDM.
Ключевые инновации KISS‑SIDM
Новый код предлагает сразу несколько принципиальных улучшений по сравнению с предыдущими симуляциями. Во‑первых, он объединяет модели редких и частых столкновений частиц в единую вычислительную схему. Во‑вторых, алгоритм работает значительно быстрее и устойчивее, позволяя прослеживать эволюцию гало на поздних стадиях. В‑третьих, KISS‑SIDM распространяется в открытом доступе, что делает его инструментом для исследователей по всему миру. Кроме того, код позволяет подробно изучать перенос энергии внутри гало при столкновениях частиц и воспроизводить процесс гравитермального коллапса — контринтуитивного эффекта, при котором гравитационно связанная система нагревается по мере потери энергии.
Куда ведёт гравитермальный коллапс
Одной из центральных проблем исследований самовзаимодействующей тёмной материи остаётся гравитермальный коллапс. В ходе этого процесса центральная область гало становится всё более плотной и горячей, поскольку энергия переносится наружу через столкновения частиц. Такие изменения радикально перестраивают внутреннюю структуру гало и могут оказывать существенное влияние на эволюцию галактик и образование компактных объектов.
До сих пор физика поздних стадий гравитермального коллапса оставалась слабо изученной. В частности, неясно, что происходит после того, как ядро гало достигает стадии коллапса, и возможен ли переход к состояниям, ведущим к формированию чёрных дыр. Новый код KISS‑SIDM как раз и предназначен для того, чтобы моделировать эти экстремальные режимы и проверять теоретические сценарии, которые ранее оставались вне досягаемости численных методов.
Куда движется наука о тёмной материи
Несмотря на отсутствие прямого обнаружения частиц тёмной материи, сочетание наблюдательных данных и вычислительных моделей продолжает расширять понимание её свойств. Такие инструменты, как KISS‑SIDM, позволяют проверять гипотезы о характере взаимодействий тёмной материи и их роли в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.
Параллельно развиваются и экспериментальные направления. Например, проект QROCODILE устанавливает новые пределы в поисках слабовзаимодействующих частиц тёмной материи, используя сверхчувствительные сверхпроводящие детекторы, способные регистрировать крайне малые энергетические выбросы. По мнению ведущих теоретиков, именно объединение высокоточных симуляций и экспериментальных данных является ключом к разгадке природы тёмной материи — одной из самых глубоких загадок современной физики.
Если эти усилия окажутся успешными, 2020‑е годы могут войти в историю как десятилетие, в котором человечество приблизилось к пониманию того, из чего на самом деле состоит большая часть Вселенной.
