Учёные «скопировали» Млечный Путь: Как симуляции галактик-близнецов помогут найти темную материю?
Представьте себе, что 85% всего вещества во Вселенной — это призрак. Мы не можем его увидеть, потрогать или измерить напрямую. Но мы точно знаем, что он существует. Его гравитация, словно невидимая рука дирижёра, управляет танцем звёзд и галактик, не давая им разлететься на части. Этот космический призрак — тёмная материя, и она остаётся одной из величайших загадок современной науки.
Десятилетиями астрофизики были похожи на сыщиков, пытающихся составить фоторобот преступника, имея на руках лишь его размытую тень. Они видели следствие — гравитационное влияние тёмной материи, — но сама её природа ускользала от них. Однако недавно группа учёных под руководством Веры Глушевич из Университета Южной Калифорнии решила сменить тактику. Вместо того чтобы гоняться за тенью, они решили создать её «двойника» в цифровом мире.
От тени к портрету: новый подход к старой загадке
Идея, впервые высказанная ещё в 1930-х годах Фрицем Цвикки, о том, что видимой материи недостаточно для удержания галактик, давно стала научной аксиомой. Но как изучить то, что не излучает и не поглощает свет? Как понять, из чего состоят эти невидимые частицы и как они ведут себя?
И вот здесь начинается самое интересное. Проект, получивший название COZMIC, — это не просто очередная компьютерная модель. Это настоящая космологическая лаборатория, построенная внутри суперкомпьютера. Учёные не стали ограничиваться стандартными моделями холодной тёмной материи, где она лишь пассивно присутствует в пространстве. Они пошли дальше и задались вопросом: а что, если тёмная материя — не такой уж и отшельник? Что, если она всё-таки взаимодействует с нашим, привычным миром?
Суть их подхода в следующем: если мы не можем изучать реальную галактику, чтобы понять свойства тёмной материи, давайте создадим её идеальную копию — виртуальный Млечный Путь. А затем «поселим» в эту цифровую галактику разные типы тёмной материи, подчиняющиеся разным физическим законам, и посмотрим, какая из версий в итоге будет больше всего похожа на наш настоящий дом.
«Что если?»: три сценария для тёмной стороны космоса
Команда COZMIC разработала три принципиально разных сценария, три «альтернативные вселенные», чтобы проверить свои гипотезы. Каждый из них — это смелый эксперимент, меняющий правила игры.
- Сценарий «Космический бильярд». А что, если на заре Вселенной частицы тёмной материи сталкивались с частицами обычной материи (протонами), словно бильярдные шары? Такое «трение» не прошло бы бесследно. Оно бы сгладило самые мелкие уплотнения материи, из которых потом рождались карликовые галактики. В результате такой виртуальный Млечный Путь оказался бы окружён гораздо меньшим количеством галактик-спутников, чем мы наблюдаем сейчас. Уже одно это даёт астрономам ключ: если вокруг нашего Млечного Пути много «малышей», значит, сценарий «бильярда» маловероятен.
- Гибридный сценарий, или «компромиссная модель». Физика редко бывает категоричной. Возможно, истина где-то посередине. В этой модели часть частиц тёмной материи взаимодействует с нашим миром, а другая остаётся абсолютно инертной, проходя сквозь всё на своём пути. Это более сложный, но и более реалистичный взгляд, который может объяснить некоторые тонкие аномалии в распределении вещества.
- Сценарий «внутренней жизни» тёмной материи. Что, если главный секрет не во взаимодействии с нами, а во взаимодействии тёмной материи… с самой собой? В этой модели её частицы сталкиваются и влияют друг на друга на протяжении всей истории космоса. Это кардинально меняет то, как формируются и эволюционируют галактические гало — гигантские невидимые облака тёмной материи, в которых, как в коконах, рождаются видимые галактики.
Именно в этом и заключается прорывная ценность проекта COZMIC. Впервые учёные смогли детально смоделировать не просто гравитационное влияние, а прямое взаимодействие тёмной и обычной материи, которое, по словам Веры Глушевич, «не является чем-то экзотическим, а, на самом деле, весьма вероятно».
Вселенная в зеркале: что дальше?
Создав эти три совершенно разные, но правдоподобные модели галактик-двойников, учёные получили на руки уникальный инструмент. Теперь у них есть «линейка», с помощью которой можно измерять реальность. Следующий шаг — самый волнующий. Команда планирует взять данные с настоящих телескопов, таких как «Хаббл» или «Джеймс Уэбб», и сравнить их со своими цифровыми творениями.
Какая из симуляций точнее всего воспроизводит структуру нашего Млечного Пути, распределение его спутников и тонкие особенности его вращения? Ответ на этот вопрос может стать настоящим прорывом. Он позволит отбросить неработающие теории и сфокусироваться на той, которая подтверждается наблюдениями.
Это фундаментальный сдвиг в поиске. Мы переходим от абстрактного вопроса «Что такое тёмная материя?» к вполне конкретному: «Какая из этих версий Вселенной больше всего похожа на нашу?». Возможно, уже скоро, глядя на звёздное небо, мы будем знать не только о видимых нам созвездиях, но и о невидимом дирижёре, который управляет их вечным танцем, и чей портрет впервые удалось нарисовать не красками, а кодом.
