Исследовательская группа Астрокосмического центра ФИАН (В.Н. Лукаш, С.В. Пилипенко, А.Г. Дорошкевич и Е.В. Михеева) провела исследования, посвящённые образованию крупномасштабной структуры Вселенной, в частности, проблемам, связанным с вириализованными гало тёмной материи. Результатами исследований стал новый метод описания систем темной материи, позволяющий решить довольно известную космологическую проблему каспов — расхождения плотности темной материи в центре гало.
Под тёмной материей в Космологической Стандартной Модели подразумевают нерелятивистские массивные частицы, взаимодействующие между собой и с другими частицами только гравитационным образом. Эту материю называют «тёмной», поскольку она невидима — не взаимодействует со светом. Темная материя составляет 23% от полной массы Вселенной и именно благодаря этой форме материи возникают галактики. В силу своего нерелятивизма темная материя гравитационно неустойчива: в ходе космологического расширения она вся фрагментируется на гравитационно-связанные комки с разными массами, они называются гало темной материи, которые и являются основой для формирования галактик. Процесс образования гало нелинейный и моделируется численными методами с помощью суперкомпьютеров (задача N-тел). При анализе расчетов и выявляется проблема — в численных моделях внутри галактических гало образуется касп — расхождение плотности темной материи в центре образования. В природе же каспы не наблюдаются, что остается важнейшей нерешенной проблемой, ставящей под удар Стандартную Модель.
Современные численные методы включают миллиарды гравитирующих частиц и являются эффективным инструментом изучения процессов формирования крупномасштабной структуры Вселенной, однако их возможности для исследования внутреннего строения гало все еще ограничены.
Сотрудники ФИАН предложили энтропийный метод описания равновесных систем темной материи, позволяющий исследовать эти сложные нелинейные структуры аналитически и связать профили распределения плотности внутри гало как с параметрами начального мелкомасштабного поля неоднородностей, так и с характеристиками нелинейной релаксации гравитационно-сжатого вещества. Как показали авторы исследований, космологические случайные движения вещества «подогревают» частицы темной материи в коллапсирующих протогало, что приводит к подавлению каспоподобных профилей плотности внутри формирующихся гало, способствует образованию ядер темной материи в галактиках и позволяет объяснить различие между наблюдаемыми и полученными в численном эксперименте кривыми вращения галактик.
Комментируя проблему, заведующий Отделом теоретической астрофизики, доктор физико-математических наук Владимир Лукаш сказал: «На вопрос: способна ли природа порождать сингулярные каспы, мы отвечаем — нет. Мы доказываем, что проблема каспов разрешима в рамках Стандартной модели».
Согласно исследованию, эффект «подогрева» препятствует образованию каспов и сглаживает плотность материи в центре гало. Учёт этого эффекта позволяет объяснить различие в кривых вращения галактик, полученных с помощью наблюдений и в численном эксперименте, а также решает проблему внутренней структуры равновесных гало темной материи в рамках Стандартной модели.
По материалам:modcos.com