Forskare vid Perimeter Institute har skapat ett nytt beräkningsverktyg för att modellera självinteragerande mörk materia, vilket åtgärdar en lucka i tidigare simuleringar. Denna innovation möjliggör snabbare och mer exakta studier av hur sådan mörk materia påverkar galaxbildning. Arbetet, publicerat i Physical Review Letters, kan ge insikter om kosmiska strukturer och svarta håls ursprung.
I nästan ett sekel har mörk materia förbryllat kosmologer på grund av sin osynliga men gravitationella roll i att forma galaxer och universums storskaliga struktur. I en studie publicerad i Physical Review Letters introducerar James Gurian, postdoktor vid Perimeter Institute, och Simon May, nu ERC Preparative Fellow vid Bielefelds universitet, KISS-SIDM, en ny kod för att simulera självinteragerande mörk materia (SIDM). SIDM består av partiklar som kolliderar elastiskt med varandra men inte med vanlig baryonisk materia. Dessa interaktioner kan driva gravotermisk kollaps i mörk materyahalos — enorma klumpar som omger galaxer och som är tätare än universums genomsnittliga densitet men relativt diffusa. «Mörk materia bildar relativt diffusa klumpar som ändå är mycket tätare än universums genomsnittliga densitet», förklarar Gurian. «Vintergatan och andra galaxer lever i dessa mörk materyahalos». Processen involverar energitransport: självinteraktioner flyttar energi utåt, värmer och förtätar halons kärna. «Du har denna självinteragerande mörk materia som transporterar energi, och den tenderar att transportera energi utåt i dessa halos», säger Gurian. «Det leder till att den inre kärnan blir riktigt varm och tät när energi transporteras utåt». Med tiden kan detta kulminera i kärnkollaps, potentiellt kopplat till svarta håls bildande. Tidigare simuleringar var otillräckliga i det intermediära regimet mellan glesa, sällsynta kollisioner (hanterade av N-kroppsmetoder) och täta, frekventa (lämpliga för fluidmodeller). «Men för det däremellan fanns det ingen bra metod», noterar Gurian. KISS-SIDM överbryggar denna lucka och erbjuder precision med minimala beräkningskrav — den körs på en laptop och är offentligt tillgänglig. «Tidigare, om du ville testa olika parametrar för självinteragerande mörk materia, behövde du antingen använda denna väldigt förenklade fluidmodell eller gå till ett kluster, vilket är beräkningsdyrt. Denna kod är snabbare, och du kan köra den på din laptop», tillägger Gurian. Verktyget får relevans från senaste galaxobservationer som tyder på anomalier som standardmörk materiamodeller inte kan förklara. Neal Dalal, fakultetsmedlem vid Perimeter Institute, berömmer framsteg: «Deras artikel bör möjliggöra ett brett spektrum av studier som tidigare var ohanterliga». Frågor kvarstår dock, som kollapsens slutpunkt. «Den grundläggande frågan är, vad är den slutliga slutpunkten för denna kollaps? Det är vad vi verkligen vill göra — studera fasen efter att ett svart hål bildats», säger Gurian. Denna utveckling öppnar dörrar för att undersöka mörk materiats roll i den kosmiska evolutionen, och potentiellt omforma förståelsen av galaxer och svarta hål.