Як вивчати невидиме? Це виклик, з яким стикаються астрономи, які вивчають темну матерію. Хоча темна матерія становить 85% всієї матерії у Всесвіті, вона не взаємодіє зі світлом. Її можна побачити лише не прямо — завдяки гравітаційній взаємодії з видимою речовиною. Не дивно, що досі зусилля з прямого виявлення темної матерії не мали успіху.
Незважаючи на такі властивості темної матерії, науковці дізналися про неї кілька речей. Відомо, що вона не лише темна, але ще й холодна. Тому темна матерія скупчується, утворюючи «зародки» скупчень галактик. Вона також часто міститься в гало навколо галактик і її маса становить більшу частину маси галактики. Однак досі багато невідомого щодо темної матерії, тому астрономи часто розробляють нові моделі темної матерії, щоб порівняти їх із спостереженнями.
Один із способів це зробити — це складна комп’ютерна симуляція, тобто чисельне моделювання за допомогою потужних комп’ютерів. Нещодавно науковці з Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру (the Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics) виконали докладне моделювання темної матерії, і це дало кілька дивовижних результатів.
Нейтринна обсерваторія IceCube («Крижаний куб») в Антарктиді виконує не прямі пошуки ймовірного носія темної матерії — масивних частинок, що слабко взаємодіють (weakly interacting massive particles, WIMP). Фото з сайту www.universetoday.com.
Точність будь-якого моделювання темної матерії залежить від припущень, які беруть за основу щодо її природи, тобто фізичних параметрів. У цьому разі науковці припустили — носієм темної матерії є масивні частинки, що слабко взаємодіють (weakly interacting massive particles, WIMP). Маса такої частинки приблизно в 100 разів більша, ніж маса протона. WIMP — одна з найпоширеніших теорій темної матерії. Комп’ютерне моделювання темної матерії з такими параметрами робили і раніше. Проте, це мало дуже високу роздільну здатність, імітуючи фізичні особливості космічного простору в масштабі, що коливається в межах тридцяти порядків.
У цьому моделюванні темна матерія утворювалася в гало навколо галактик, як це і випливає зі спостережень. Однак з’ясувалося, що гало також виникали на всіх масштабах маси, починаючи від малих гало з масою планети і закінчуючи масивними, які утворюються навколо скупчень галактик. Усі модельовані гало мають схожу структуру: вони найбільш щільні до свого центру, але стають більш дифузними на краях. Оскільки так є на усіх масштабах, то це вказує на явну особливість темної матерії.
Моделювання показало, що гало темної матерії виникають на всіх масштабах космічного простору (або маси). Фото з сайту www.universetoday.com.
На малих масштабах гало темної матерії занадто маломасивні, щоб їх можна було виявити через їхній гравітаційний вплив на видиму речовину. Але вони могли б вказати науковцям про те, як темна матерія взаємодіє сама з собою. Суть однієї ідеї щодо темної матерії полягає в тому, що коли її частинки стикаються, то це спричиняє появу гамма-випромінювання. Деякі спостереження за гамма-випромінюванням натякають на надлишок гамма-променів, що надходить з центру нашої галактики. Він може бути наслідком взаємодії частинок темної матерії.
У моделі, яку отримали науковці Гарвард-Смітсонівського астрофізичного центру, більшість гамма-випромінювання, спричиненого темною матерією, походить від менших гало. Оскільки масштаб гало впливає на енергетичний спектр гамма-променів, ця модель дає конкретні прогнози щодо надлишку гамма-променів, які астрономи мають реєструвати як у Молочному Шляху, так і в інших галактиках.
Темна матерія залишається однією з найбільших невирішених проблем сучасної астрономії. Хоча науковці хотіли б її виявити прямо, доки цього не станеться, комп’ютерні симуляції будуть одним з найпотужніших інструментів для кращого розуміння темної матерії.
