Это изображение показывает срез основной симуляции со стороной более двух миллиардов световых лет. Две вставки – это последовательные увеличенные изображения областей со стороной 700 тысяч и 600 световых лет. Самые большие отдельные глыбы на основном изображении соответствуют скоплениям галактик, а самые маленькие глыбы при втором увеличении аналогичны по массе Земле. Предоставлено: д-р Сонак Бозе, Центр астрофизики Гарвардского университета.
Большая часть материи во Вселенной темная и поэтому не подлежит непосредственному наблюдению. Согласно результатам, только что опубликованным в журнале Nature, международная исследовательская группа использовала суперкомпьютеры в Китае и Европе, чтобы приблизить типичный регион виртуальной вселенной с помощью совершенно беспрецедентного фактора, эквивалентного тому, который необходим для распознавания блох на поверхности полной Луны. . Это позволило команде сделать подробные снимки сотен виртуальных гало темной материи от самых больших до самых маленьких, ожидаемых в нашей Вселенной.
Темная материя играет важную роль в космической эволюции. Галактики росли по мере охлаждения и конденсации газа в центре огромных сгустков темной материи, так называемых ореолов темной материи. Сами ореолы отделились от общего расширения Вселенной в результате гравитационного притяжения их собственной темной материи. Астрономы могут сделать вывод о структуре больших гало темной материи по свойствам галактик и газа внутри них, но у них нет информации о гало, которые могут быть слишком маленькими, чтобы содержать галактику.
Самые большие гало темной материи в современной Вселенной содержат огромные скопления галактик, совокупности сотен ярких галактик. Их свойства хорошо изучены, и они весят более квадриллиона (1015) раз больше, чем наше Солнце. С другой стороны, неизвестны массы мельчайших гало темной материи. Теория темной материи, лежащая в основе нового зума суперкомпьютера, предполагает, что они могут быть похожи по массе на Землю. Таких маленьких гало было бы чрезвычайно много, они содержали бы значительную часть всей темной материи во Вселенной, но они оставались бы темными на протяжении всей космической истории, потому что звезды и галактики растут только в гало, по крайней мере, в миллион раз более массивных, чем Солнце.
Группе исследователей, базирующейся в Китае, Германии, Великобритании и США, потребовалось пять лет, чтобы разработать, протестировать и реализовать свой космический зум. Это позволило им изучить структуру гало темной материи всех масс между массой Земли и большим скоплением галактик. В цифрах: масштабирование охватывает диапазон масс от 10 до 30 степени (то есть 1 с 30 нулями), что эквивалентно количеству килограммов на Солнце.
Актуальность для обнаружения излучения от малых гало
Удивительно, но астрофизики обнаружили, что все гало имеют очень похожую внутреннюю структуру: они очень плотные в центре, становятся все более диффузными наружу, а более мелкие сгустки вращаются по орбите во внешних областях. Без масштабной линейки почти невозможно отличить изображение гало темной материи массивной галактики от гало с массой меньше солнечной. «Мы были действительно удивлены нашими результатами», – говорит Саймон Уайт из Института астрофизики Макса Планка. «Все догадались, что мельчайшие сгустки темной материи будут сильно отличаться от больших, с которыми мы более знакомы. Но когда мы наконец смогли вычислить их свойства, они выглядели точно так же ».
Результат имеет потенциальное практическое применение. Частицы темной материи могут сталкиваться вблизи центров ореолов и могут – согласно некоторым теориям – аннигилировать во вспышке энергетического (гамма) излучения. Новое моделирование масштабирования позволяет ученым рассчитать ожидаемое количество радиации для гало различной массы. Большая часть этого излучения может исходить от гало темной материи, слишком маленького, чтобы содержать звезды. В будущем обсерватории гамма-излучения смогут регистрировать это излучение, делая небольшие объекты индивидуально или коллективно «видимыми». Это подтвердило бы гипотезу о природе темной материи, которая в конце концов может быть не совсем темной!
Подробнее об этом исследовании:
Ссылка: «Универсальная структура гало темной материи в диапазоне масс 20 порядков» Дж. Ванга, С. Бозе, К. С. Френка, Л. Гао, А. Дженкинса, В. Спрингеля и С. Д. Уайта, 2 сентября 2020 г., Природа.
DOI: 10.1038 / s41586-020-2642-9
