Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-13-4
Физики исследовали коллапс аксионной темной материи на домашнем компьютере

Август 2018

Физики-теоретики из Великобритании разработали программу, которая численно моделирует поведение аксионной звезды и требует так мало вычислительных ресурсов, что для ее работы достаточно мощности обычного домашнего компьютера. Ранее для подобных расчетов приходилось использовать суперкомпьютеры. Статья опубликована в Physics Letters B.

Один из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи — это темный аксион, гипотетическая сверхлегкая частица. Теоретические исследования показывают, что аксионная темная материя может образовать устойчивые структуры, связанные силой гравитационного притяжения. В зависимости от того, какие значения массы аксиона и константы распада (характерного масштаба нарушения симметрии) реализуются в природе, такие структуры относятся к одному из трех типов (фаз). Во-первых, они могут быть стабильны на протяжении всего своего существования; в таком случае говорят об аксионных звездах (или бозонных звездах), аналогичным звездам из обычной материи. Во-вторых, темная материя может сжиматься под действием собственной гравитации и превращаться в черную дыру. Наконец, бозонные звезды могут излучать большие количества релятивистских аксионов, напоминая сверхновые из астрофизики или Бозеновы (Bosenova) из физики конденсированного состояния. Как правило, определить, какой именно тип реализуется при заданных значениях параметров, очень сложно — точное решение задачи до сих пор не найдено, а численные расчеты требуют большой вычислительной мощности. Тем не менее, в прошлом году группа ученых под руководством Рикардо Беериль (Ricardo Becerril) выполнила такой расчет с помощью суперкомпьютера COSMOS и построила фазовую диаграмму бозонных звезд.

В новой статье физики Флорен Мишель (Florent Michel) и Ян Мосс (Ian Moss) воспроизвела результат группа Беериль на обычном домашнем компьютере, разработав менее требовательный алгоритм. В основу расчета исследователи положили схему интегрирования в нулевых координатах (null-coordinate integration scheme), придуманную в 1987 году израильскими теоретиками Далей Голдвир (Dalia Goldwirth) и Цви Пираном (Tsvi Piran). В этом методе координатная сетка выбирается таким образом, чтобы наиболее точно ухватить детали коллапса (она «втекает» в объект вместе с коллапсирующей материей). В результате система уравнений поля сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, которую, по словам авторов статьи, можно численно проинтегрировать за несколько минут на обычном домашнем компьютере.

В результате исследователям удалось воспроизвести картину, полученную в предыдущей работе — увидеть четкие границы между фазами и тройную критическую точку, в которой сходятся фазы бозонной звезды, черной дыры и Бозеновы. Тем не менее, положение критической точки существенно отличалось от найденного ранее, хотя и совпадало с нерелятивистским пределом. Кроме того, граница между фазами Бозеновой и черной дыры оказалась размытой — конечное состояние звезды сильно зависело от начальных условий, и заранее предсказать его по соседним точкам было невозможно.

_{nplus1, 27 августа 2018, Дмитрий Трунин}

_{https://nplus1.ru/news/2018/08/27/axion-desktop}

_{ЖурналPhysics Letters B, 2018}

_{Флорен Мишель (Florent Michel) и ЯнМосс (Ian Moss)}

_{https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269318306312}