Тёмная материя невидима, но её притяжение удерживает галактики от разлёта. Долгое время считалось, что частицы тёмной материи пролетают друг сквозь друга, не замечая. Однако в маленьких галактиках плотность тёмной материи в центре оказалась ниже, чем предсказывают расчёты. Будто невидимые частицы иногда сталкиваются и расталкивают друг друга, как бильярдные шары.
Группа учёных встроила такие столкновения в компьютерную программу OpenGadget3, которая моделирует рождение и рост галактик. Теперь программа умеет рассчитывать, как частицы тёмной материи отскакивают друг от друга при сближении. Можно задать, насколько сильно они рассеиваются и в каких направлениях разлетаются после удара. Это как настраивать упругость невидимых бильярдных шаров.
Авторы проверили точность на нескольких задачах с известными ответами. Результаты совпали с ожиданиями, а скорость расчётов оказалась высокой даже при большом числе частиц. Остались и нерешённые вопросы: например, как моделировать столкновения, при которых частицы не просто отскакивают, а сливаются или обмениваются энергией иначе.
Теперь любой исследователь может скачать программу и проверить свои гипотезы о тёмной материи. Возможно, именно такие столкновения объяснят загадки маленьких галактик и приблизят нас к пониманию, из чего состоит четверть Вселенной.
как её написали авторы, на английском arXiv:2603.10107
Dark matter (DM) could be subject to non-gravitational self-interactions which is relevant to resolve potential problems of cold DM on small scales. Their impact on astrophysical objects such as galaxies and galaxy clusters allows for constraining the strength of this scattering and eventually further properties of the cross-section. To model self-interacting dark matter (SIDM), N-body simulations are a crucial tool widely employed by the SIDM community. In this paper, we describe the SIDM implementation in the cosmological hydrodynamical N-body code OpenGadget3 and release it to the public. It is capable of simulating elastic scattering for various differential cross-sections, including strongly anisotropic cross-sections. Beyond single-species models, the code also allows simulating a two-species model with cross-species interactions. In addition to describing the numerical schemes for modelling various flavours of SIDM, we discuss the technical challenges of implementing them. Moreover, we demonstrate through several test problems that OpenGadget3 can accurately simulate DM self-interactions. Furthermore, we assess the performance of the code and provide scaling tests. Lastly, we highlight remaining challenges in the context of SIDM and describe directions for improving the current state of the art.
Тёмной материи во Вселенной примерно в пять раз больше, чем обычного вещества, из которого состоят звёзды, планеты и мы сами.