Perimeter Instituteの研究者らが、自己相互作用ダークマターをモデル化する新しい計算ツールを作成し、従来のシミュレーションのギャップを埋めた。この革新により、このようなダークマターが銀河形成に与える影響をより速く正確に研究できるようになる。Physical Review Lettersに掲載されたこの研究は、宇宙構造やブラックホール起源に関する洞察を提供する可能性がある。
ほぼ一世紀にわたり、ダークマターはその不可視ながら重力的役割により、銀河の形成や宇宙の大規模構造を形作る点で宇宙学者を困惑させてきた。Physical Review Lettersに掲載された研究で、Perimeter Instituteのポスドク研究員James Gurian氏と、現在Bielefeld大学のERC Preparative FellowであるSimon May氏が、自己相互作用ダークマター（SIDM）をシミュレートする新しいコードKISS-SIDMを導入した。 SIDMは互いに弾性衝突する粒子からなり、通常のバリオン物質とは衝突しない。これらの相互作用は、ダークマターハロー——銀河を囲む広大な塊で、宇宙の平均密度より高密度だが比較的拡散している——で重力熱崩壊を引き起こす可能性がある。「ダークマターは宇宙の平均密度よりはるかに高密度だが比較的拡散した塊を形成する」とGurian氏は説明する。「天の川銀河や他の銀河はこれらのダークマターハローの中に存在する」。 このプロセスはエネルギー輸送を伴う。自己相互作用によりエネルギーが外側へ移動し、ハローの中心部を加熱・高密度化する。「自己相互作用ダークマターがエネルギーを輸送し、ハロー内で外側へエネルギーを運び出す傾向がある」とGurian氏。「これにより、内側のコアが非常に高温・高密度になる」。時間とともに、これはコア崩壊に至り、ブラックホール形成に関連する可能性がある。 従来のシミュレーションは、疎でまれな衝突（N体法で扱う）と高密度で頻繁な衝突（流体モデルに適した）の間の途中領域で不十分だった。「しかし、その中間領域に適した良い方法はなかった」とGurian氏。KISS-SIDMはこのギャップを埋め、計算負荷を最小限に抑えつつ精度を提供する——ラップトップで動作し、公に利用可能だ。 「以前、自己相互作用ダークマターのパラメータを検証するには、極めて単純化した流体モデルを使うか、計算コストの高いクラスタを使う必要があった。このコードは速く、ラップトップで実行できる」とGurian氏。ツールの意義は、標準ダークマターモデルで説明できない異常を示唆する最近の銀河観測から高まっている。 Perimeter Instituteの教員Neal Dalal氏はこの進展を称賛：「彼らの論文は、以前は扱えなかった広範な研究を可能にするだろう」。しかし、崩壊の終着点などの疑問は残る。「根本的な質問は、この崩壊の最終的な終着点は何なのか？ 本当にやりたいのは、ブラックホール形成後の段階を研究することだ」とGurian氏。 この開発は、ダークマターの宇宙進化における役割を探る扉を開き、銀河とブラックホールに関する理解を再構築する可能性がある。