Что удерживает нашу галактику от распада? Чтобы найти ответ, учёные создают её клоны и ломают в них законы физики

Представьте, что вы пытаетесь понять правила игры, наблюдая за ней со стороны. Вы видите, как фигуры движутся по доске, но сама доска и примерно 85% фигур — невидимы. Вы можете лишь догадываться об их существовании по тому, как оставшиеся видимые фигуры меняют свои траектории. Примерно в таком положении находятся современные астрофизики, пытающиеся разгадать главную загадку космологии — природу тёмной материи.

Это неуловимое вещество не излучает, не поглощает и не отражает свет. Оно — призрак, чьё присутствие выдаёт лишь гравитация. И вот, вместо того чтобы вглядываться в бездну космоса в надежде поймать случайный сигнал, группа учёных решила пойти другим, куда более дерзким путём. Они начали создавать свои собственные вселенные в памяти суперкомпьютера

Невидимый архитектор космоса

Чтобы понять всю смелость этого подхода, стоит вспомнить, почему тёмная материя вообще стала такой головной болью для науки. Ещё в XX веке астрономы Фриц Цвикки, а позже Вера Рубин, заметили странность: галактики вращаются слишком быстро. Звёзды на их окраинах движутся с такой скоростью, что видимой массы галактики (звёзд, газа и пыли) просто не хватает, чтобы удержать их на орбите. По всем законам физики, их должно было бы разбросать по межгалактическому пространству, как капли с мокрого зонта.

Вывод напрашивался сам собой: в галактиках и вокруг них должно быть огромное количество какой-то скрытой массы, создающей дополнительное притяжение. Так родилась концепция тёмной материи — невидимого каркаса, на котором, как жемчужины на нити, держатся видимые структуры Вселенной.

Но что это за вещество? Кандидатов много: от гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц (вимпов) до сверхлёгких аксионов. Проблема в том, что ни одну из этих частиц до сих пор не удалось поймать «за руку». Десятилетия экспериментов в подземных лабораториях по всему миру пока не дали результата. Поиск зашёл в тупик.

«А что, если?»: лаборатория виртуальных вселенных

Именно здесь на сцену выходит проект COZMIC, возглавляемый космологом Верой Глушевич и астрономом Итаном Надлером. Их идея проста и гениальна одновременно: если мы не можем найти тёмную материю в нашей Вселенной, давайте создадим множество других вселенных и посмотрим, какая из них окажется больше всего похожа на нашу.

По сути, COZMIC — это не просто симуляция. Это настоящая цифровая лаборатория, где учёные «играют в Бога» в самом конструктивном смысле этого слова. Они создают на суперкомпьютере высокоточные копии — «клоны» — нашей галактики Млечный Путь, а затем начинают «крутить ручки» фундаментальных законов физики.

«Мы впервые можем моделировать галактики, подобные нашей, в условиях радикально иных физических законов», — объясняет Глушевич.

Что это значит на практике? Команда проверяет различные сценарии поведения тёмной материи:

1. Сценарий «космического бильярда»: В этой модели частицы тёмной материи в ранней Вселенной активно сталкиваются с частицами обычной материи (протонами). Результат получается поразительным: такая «бомбардировка» полностью меняет окружение галактики, буквально стирая с карты её карликовые галактики-спутники. Это уже конкретный, проверяемый маркер. Достаточно сравнить симуляцию с реальным количеством спутников Млечного Пути.
2. Сценарий «избирательных контактов»: А что, если тёмная материя взаимодействует не со всей обычной материей, а лишь с её частью? Или если одни её частицы взаимодействуют, а другие — нет? Этот сценарий проверяет более тонкие и сложные гипотезы, которые могут объяснить некоторые аномалии в распределении вещества.
3. Сценарий «внутренних разборок»: В этой модели частицы тёмной материи взаимодействуют не с нами, а друг с другом. Такие «самовзаимодействия» могли бы кардинально повлиять на то, как тёмная материя формирует сгустки (гало), в которых затем рождаются галактики. Это изменило бы их внутреннюю структуру и плотность.

Ключевая особенность проекта в том, что он впервые всерьёз моделирует взаимодействие тёмной материи с обычной, барионной материей (то есть привычными нам протонами, атомами, планетами). «Такие взаимодействия не являются экзотическими или неправдоподобными, — подчёркивает Глушевич. — На самом деле, они, скорее всего, существуют».

От симуляции к реальности: в поисках нашей «версии»

Итак, у учёных есть набор виртуальных Млечных Путей, каждый из которых жил по своим, немного изменённым законам. Что дальше?

А дальше начинается самое интересное — сличение. Команда берёт «отпечатки пальцев» каждой смоделированной галактики — её форму, распределение звёзд, скорость вращения, количество и расположение спутников — и сравнивает их с реальными данными, полученными от телескопов вроде «Хаббла» и «Гайи».

Это похоже на работу криминалиста, у которого есть размытый фоторобот преступника (наша реальная Вселенная) и несколько подозреваемых (виртуальные модели). Сравнивая детали, он может отсеять тех, кто точно не подходит.

Цель — не найти единственно верную модель с первого раза, а сузить круг поисков. Если симуляция, где тёмная материя стирает спутники, явно противоречит наблюдениям (а у Млечного Пути десятки спутников), значит, такой сценарий можно отбросить. Если же какая-то модель, наоборот, удивительно точно воспроизводит наблюдаемую картину, значит, свойства тёмной материи в этой модели — наш главный кандидат на дальнейшую проверку.

Как говорит Вера Глушевич, «Мы наконец-то можем задать вопрос: «Какая версия Вселенной больше всего похожа на нашу?»».

Этот подход знаменует собой фундаментальный сдвиг в космологии: от пассивного наблюдения к активному цифровому эксперименту. COZMIC не обещает нам завтра же показать частицу тёмной материи. Но он даёт нечто не менее ценное: он говорит нам, что именно и с какими свойствами нужно искать. Это мощнейший фильтр, способный отсеять десятки теорий и направить усилия физиков-экспериментаторов в самое перспективное русло. Мы больше не ищем иголку в стоге сена наугад — мы сначала используем суперкомпьютер, чтобы понять, как эта иголка должна выглядеть.