Ученые из из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН показали, что каспы — «комки» из темной материи в гало, окутывающем галактики, скорее всего, являются кажущимся явлением, артефактом существующих методик расчета алгоритма GADGET-2, широко используемого астрономами. Это означает, что ряд космологических проблем, связанных с каспами, также является фикцией, и в теории это может упростить дальнейшее изучение распределения темной материи в галактиках. Текст соответствующей работы доступен на сервере препринтов Корнелльского университета.
На данный момент существует большая и не решенная космологией проблема каспов («комков» темной материи). Любое моделирование эволюции галактик и их скоплений в нашей Вселенной неизменно приводило к выводу: темная материя должна скапливаться в центрах галактик, образуя там области весьма высокой плотности. Однако наблюдения реальных галактик показывали совсем другую картину: не то что областей повышенной концентрации, но и вообще темной материи в центрах галактик найти практически не удается.
Обычно темную материю выявляют по отклонению скоростей вращения звезд вокруг центра галактики. И если на их периферии это отклонение весьма велико, то в центре его зачастую вообще нет. Недавно аналогичные наблюдения были сделаны и для центров галактических скоплений. Если это так, то текущая общепризнанная модель «холодной» темной материи, состоящей из массивных, но не взаимодействующих с электромагнитным излучением частиц, оказывается под угрозой. Получается, она описывает галактики совсем не так, как они выглядят на деле.
Авторы новой работы, однако, справедливо отмечают, что, прежде чем пересматривать столь фундаментальную вещь, как физическая модель Вселенной, стоит убедиться не только в надежности наблюдений, но и — что еще более важно — самого моделирования поведения темной материи. Для этого российские астрономы смоделировали изменения в распределении темной материи в галактиках с помощью ведущего алгоритма в этой области — GADGET-2. С его помощью рассчитывают гравитационные взаимодействия между всеми моделируемыми телами по принципу «дерева»: вначале обсчитываются взаимодействия наиболее близких друг к другу тел, а затем — более далеких.
Исследователи особо отмечают, что упомянутый алгоритм в ходе моделирования использует так называемую релаксацию за счет столкновений (сollisional relaxation — стабилизацию системы тел после некоторого числа их столкновений между собой) — эффект, широко используемых в моделях гравитационного взаимодействия. Однако на практике с темной материей не может быть никакой релаксации за счет столкновений, ведь по текущим представлениям вимпы (массивные, слабо взаимодействующие частицы темной материи) практически не сталкиваются друг с другом.
В связи с этим астрономы проверили итоги моделирования распределения темной материи в галактических гало (областях, окружающих видимые диски галактики) с помощью другого алгоритма — ph4, использующего прямое складывание действующих гравитационных сил. В итоге у них получилось, что каспы в центрах галактик возникают только при применении «древовидного» первого алгоритма. Отсюда следует, что моделирование, показывающее высокую концентрацию темной материи в центрах галактик и галактических гало, — «здание на песке», ошибка, присущая одному конкретному алгоритму подсчета распределения темной материи в галактиках.
Работа затрагивает один из ключевых вопросов современный космологии. Поэтому, прежде чем однозначно утверждать, что каспы темной материи — мираж, стоит подождать реакции остальных представителей научного сообщества на новую работу. Если выводы российских исследователей подтвердятся, это позволит внести заметный вклад в развитие современной космологии в целом.