8 Minutės
Tamsioji materija formuoja galaktikas ir didelio mastelio Visatos struktūrą, tačiau jos vidinis elgesys išlieka vienu iš kosmologijos sudėtingiausių klausimų. Tyrėjai Perimeter Institute išleido naują skaičiavimo įrankį, kuris atveria langą į savisąveikaujančių tamsiosios materijos (SIDM) halo gyvavimo ciklą — masyvius, nematomus darinius, kurie kaip kokios lėkštės aprėpia ir palaiko galaktikas, tokias kaip Paukščių Takas. Šis įrankis leidžia išanalizuoti, kaip tamsiosios materijos savybės, sąveikos kryžminiai skerspjūviai ir pradinės kondicijos lemia halo evoliuciją nuo ankstyvųjų struktūrų formavimosi etapų iki šiuolaikinių galaktikų sistemos parametrų.
Aiškesnis skaitmeninis objektyvas tamsiajai materijai
Beveik šimtmetį mokslininkai nuspėjo tamsiosios materijos buvimą iš gravitacijos pėdsakų: žvaigždės sukasi greičiau nei prognozuoja matoma masė, galaktikų spiečiai lenkia ir iškreipia foninį šviesos lauką, o kosminio tinklo filamento formos rodo nematomą atramą. Šie pastebėjimai — rotacinės kreivės, gravitacinis lenkimas, masės paskirstymo analizės ir kosminės foninės spinduliuotės (CMB) įtaka struktūros formavimuisi — pateikia įtikinamus argumentus dėl tamsiosios materijos egzistavimo ir jos svarbos galaktikų evolucijai. Tačiau mikroskopinės tamsiosios materijos dalelių savybės — ar jos praktiškai nebesusitinka (collisionless), ar turi reikšmingas savęs sąveikas — lemia visiškai kitokius halo brandos ir dinamikos kelius: nuo aštrių, tankių „cuspy“ profilių iki minkštesnių, „cored“ centrų. Todėl būtina turėti modeliavimo priemones, kurios gebėtų patikimai pereiti nuo kinetinių (retų susidūrimų) metodikų iki skystųjų (dažnų susidūrimų) ribų, įskaitant tarpines kolizijų dažnio sritis, kurias ankstesni metodai sunkiai aprėpdavo.
Perimeter Institute mokslininkai James Gurian ir Simon May (buvęs Perimeter bendradarbis) paskelbė straipsnį žurnale Physical Review Letters, kuriame pristatė KISS-SIDM — naują skaitmeninį kodą, sukurtą modeliuoti savisąveikaujančią tamsiąją materiją per tokias režimų sritis, kuriose ankstesnės technikos susidurdavo su sudėtingumais. SIDM dalelės keičia energiją per palyginti retus susidūrimus ir per ilgus kosminius laikotarpius šie energijos mainai gali reikšmingai pakeisti halo centro tankį, temperatūros profilį ir dinamiką. KISS-SIDM yra orientuotas į efektyvų šių procesų aprašymą, apjungiant kinetinius spartos komponentus su šiluminės spartos ir sandaros evoliucijos modeliavimu, todėl leidžia analizuoti, kaip šilumos srautas, vidinis transportas ir susidūrimų tikimybės formuoja galaktikų kūnus ir jų observacinius požymius.
Kodėl savisąveikaujanti tamsioji materija yra svarbi
Savisąveikaujanti tamsioji materija gali pakeisti halo branduolių savybes taip, kad būtų paaiškintos pastarųjų dešimtmečių stebėjimų ir tradicinių šaltos tamsiosios materijos (CDM) modelių nesutapimų įvairovė. CDM modeliuose halo centruose dažnai atsiranda labai stati, tankūs „cuspy“ profiliai pagal NFW tipo sprendinius, tačiau stebimos mažos galaktikos, nykštukinės galaktikos ir sistemos su mažu paviršiaus šviesumu dažnai rodo daug švelnesnius, plataus tūrio branduolius („cored“), o tai lemia vadinamąjį „core–cusp“ problemą. Be to, egzistuoja „too-big-to-fail“ problemos niuansai ir rotacinių kreivių įvairovės klausimai, kuriuos galima dalinai paaiškinti taikant savisąveikaujančios tamsiosios materijos parametrus. Jei tamsiosios materijos dalelės turi nereikšmingą ar vidutinį skerspjūvį (typinis modeliavimas naudoja parametrą sigma/m — susidūrimo skerspjūvį ant masės), tuomet viduje susidarius įtampos gradientams energija gali būti pernešama iš vidurio į išorę; rezultatas — branduolio išsiplėtimas ir tankio profilio suminkštėjimas, kuris artimesnis kai kurioms observuotoms galaktikų masių struktūroms.
„Tamsioji materija formuoja difuzinius kamuolius, kurie vis tiek yra žymiai tankesni už kosminį vidurkį, – sako James Gurian, Perimeter Institute postdoktorantas. – Būtent tai, kaip energija transportuojama tokiuose kamuoliuose, nulemia, ar vidinis branduolys liks plokščias (cored), ar palaipsniui susitrauks ir žlugs į tankesnę, koncentruotą būseną.“ Šis pastebėjimas yra kertinis analizėms, nes energijos sklaida, šilumos laidumas, vidinių sluoksnių sąveikos ir kolizijų dažnių priklausomybė nuo halų masės bei aplinkos leidžia susieti dalelinių savybių parametrus su observuojamais halo tankio profiliais, galaktikų rotacinėmis kreivėmis ir žvaigždžių dinamika.
Gravitacinis kolapsas: kaip gravitacija šildo praradusi energiją
Viena esminių procesų, kuriuos KISS-SIDM padeda tiksliau modeliuoti, yra gravitacinis–termodinaminis kolapsas (gravothermal collapse). Skirtumas nuo įprastinių dujų, kurios aušta netenkant energijos, yra tas, kad savigravituojančios sistemos turi neigiamą šiluminę talpą: praradus energiją, centrinės dalys gali tapti karštesnės ir tankesnės. SIDM haluose kolizijos perneša šilumą į išorę, o tai skatina branduolio kontrakciją – jis suspaudžiamas, pakyla temperatūra ir tankis, ir šis procesas gali virsti besaikiu (runaway) kolapsu per kosmologinius laikotarpius, priklausomai nuo susidūrimų dažnio, pradinės masės paskirstymo ir halo savybių.
Tokia kontraintuityvi elgsena – gravitacijos sukeliama šilumos koncentracija vietoje aušinimo – turi didelių pasekmių tiek teorijai, tiek observacijoms. Jei vidinis branduolys pereina į gravitacinį kolapsą, tai gali pagreitinti centrinės masės koncentraciją ir, esant tinkamoms sąlygoms, pasėti kompaktiškus objektus arba netgi juodųjų skylių užuomazgas (juodosios skylės sėklas), kurios vėliau gali augti per akreciją arba susiliejimus. Tačiau pilno kelio nuo plokščio, cored profilio iki užkritusio, labai tankaus branduolio atvaizdavimas reikalauja daug skaičiavimo jėgos ir modelių, kurie vienu metu galėtų tiksliai tvarkyti tiek kinetinę, tiek hidrodinaminę elgseną – iki šiol tai buvo sudėtinga užduotis, kurią KISS-SIDM padeda išspręsti.
KISS-SIDM: užpildant simuliacijų spragą
Iki KISS-SIDM atsiradimo tyrėjai dažniausiai taikė atskiras metodikas, priklausomai nuo susidūrimų dažnio: vieną požiūrį kinetinei (retų susidūrimų) ribai, kur dominavo dalelių sprendiniai ir Monte Carlo arba N‑kūnų (N-body) metodai, ir kitą požiūrį dažnų susidūrimų (skysto/fluido) limitui, kur geriau veikė momentinių lygių ir hidrodinaminių apytiksliai teisinių sprendinių metodai. Tarpinis režimas, kuriame kolizijų dažnis yra vidutinis ir tradiciniai sprendiniai praranda efektyvumą ar tikslumą, anksčiau likdavo sudėtingai aprėpiamas. KISS-SIDM sukuria tiltą tarp šių ribų: tai greitas, efektyvus ir tikslus algoritmas, gebantis valdyti plačią tankių ir sąveikų stiprumo skalę, įskaitant regionus, kur vidutinė laisvo kelio (mean free path) ir skaliariniai laiko mastai yra tarpiniai.
Techniniu požiūriu KISS-SIDM naudoja metodus, kurie adaptuotai įrašo šilumos transportą ir momentinius terminus, leidžiančius pereiti nuo kinetinių diskretinių sprendinių prie efektyvių laidumo–hidrodinaminių aprašų tada, kai tai yra tinkama. Tokie sprendiniai paprastai lyginami su pilnomis N‑kūnų simuliacijomis ir statistiniais Monte Carlo tyrimais, kad būtų užtikrintas tinkamumas įvairioms pradžios sąlygoms ir sąveikos parametrams. Svarbu paminėti, kad kodas yra prieinamas visuomenei, kas leidžia mokslininkų bendruomenei tikrinti, pritaikyti ir palyginti modelių rezultatus bei pradines sąlygas, o tai stiprina reproducinį mokslą ir padeda greičiau ištyrinėti SIDM aplinkybes plačiame modelių spektre.
Techninės privalumų santrauka
- Greitas įvertinimas per skirtingus režimus — nuo beveik be kolizijų (collisionless) iki stipriai sąveikaujančių sistemų (strongly interacting).
- Padidintas tikslumas sekant šilumos transportą, vidinio halo sluoksnių energijos pasiskirstymą ir centrinių tankių raidą per kosminį laiką.
- Atviro kodo prieinamumas skatina reproducinamus tyrimus, modelių palyginimus ir bendruomenės indėlį plėtojant SIDM hipotezes.
Juodųjų skylių sėklos ir stebėjimų perspektyvos
Vienas įdomus naujas rezultatas, kylantis iš geresnio SIDM modelavimo, yra susiaurintos prognozės dėl juodųjų skylių susidarymo kelių ir terminų. Jei gravitacinis kolapsas padidina centrinį tankį pakankamai, halai gali suformuoti kompaktiškus objektus arba pasėti juodųjų skylių sėklas ankstesniais kosminio amžiaus etapais, nei tai numato tipiniai baryonų valdomi scenarijai, susiję su žvaigždžių sugriuvimu ar branduolinėmis procesų grandinėmis. Tokios sėklos galėtų tapti atspirties tašku greitam augimui per akreciją ar suliejimus ir galimai paveikti ankstyvą supermasyviųjų juodųjų skylių demografiją.
Observaciniai ženklai galėtų pasireikšti skirtingose srityse: centrinės juodųjų skylių demografija (masės pasiskirstymas ir dažnis mažesnėse galaktikose), žvaigždžių susidarymo istorijos, tikslios halo tankio profilių matavimai per žvaigždžių dinamiką ir gravitacinį lenkimą, taip pat rotacinių kreivių formos niuansai mažose galaktikose. Ateities apžvalgos ir gilios kampanijos, tokios kaip didelės kinematikos studijos, giliausi vaizdai ir plačios srities projektai, suteiks papildomų duomenų, kuriuos galima palyginti su KISS-SIDM generuotomis prognozėmis. Pavyzdžiui, preciziškos masės pasiskirstymo rekonstrukcijos naudodamos žvaigždžių skersinių greičių matavimus ar stiprų ir silpną gravitinį lenkimą galėtų iškelti ankstyvuosius ženklus apie savisąveikaujančios tamsiosios materijos įtaką halo vidiniam profiliui.
Žvelgiant į priekį, KISS-SIDM suteikia praktinį tiltą tarp fundamentalių dalelių savybių ir astrofizikinių stebėjimų: prisijungus prie didelių duomenų rinkinių, kuriuos generuoja naujos kartos observatorijos ir apžvalgos, tokios simuliacijos leis patikimai susieti kryžminius susidūrimo skerspjūvius (sigma/m), mean‑free path, šiluminį laidumą ir pradinę masės paskirstymo formą su konkrečiais stebimų halų požymiais. Plačiau prieinami, atviri įrankiai ir palyginamos studijos pagerins galimybes patikrinti, ar tamsioji materija iš tiesų yra savisąveikaujanti ir kaip tokios sąveikos formavo matomą Visatą, nuo Paukščių Tako iki kosminių tinklų mazgų.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą