Пустоты Вселенной: новый взгляд на природу тёмной материи

Автор: Денис Аветисян

Исследование космических пустот может открыть новые возможности для изучения тёмной материи и проверки теорий, выходящих за рамки стандартной космологической модели.

Прогнозирование маргинализированных апостериорных распределений параметров ΛCDM и аксионов, при фиксированном <span class="katex-eq" data-katex-display="false">m_a = 10^{-{25}}\,\mathrm{eV}</span>, на основе функции размера пустот, измеренной в смоделированных обзорах, подобных eBOSS (серый), DESI (красный) и Euclid (синий), демонстрирует возможность как ограничения параметров ΛCDM, так и выявления систематической ошибки при неверном моделировании аксионов, а также установку верхнего предела на плотность аксионов в случае их отсутствия и, наконец, потенциал для обнаружения аксионов при их включении в космологическую модель, при использовании априорных данных CMB, полученных из будущих наблюдений Simons Observatory. — Прогнозирование маргинализированных апостериорных распределений параметров ΛCDM и аксионов, при фиксированном $m_a = 10^{-{25}}\,\mathrm{eV}$ , на основе функции размера пустот, измеренной в смоделированных обзорах, подобных eBOSS (серый), DESI (красный) и Euclid (синий), демонстрирует возможность как ограничения параметров ΛCDM, так и выявления систематической ошибки при неверном моделировании аксионов, а также установку верхнего предела на плотность аксионов в случае их отсутствия и, наконец, потенциал для обнаружения аксионов при их включении в космологическую модель, при использовании априорных данных CMB, полученных из будущих наблюдений Simons Observatory.

В статье представлены результаты численных симуляций и анализ данных галактических обзоров, демонстрирующие чувствительность свойств космических пустот к массе ультралёгких аксионов.

Несмотря на успехи ΛCDM модели, природа темной материи остается одной из главных загадок современной космологии. В работе ‘Cosmic voids as a probe of the nature of dark matter: simulations and galaxy survey forecasts’ исследуется возможность использования космических пустот — областей с низкой плотностью материи — в качестве нового инструмента для изучения ультралегких аксионов, одного из кандидатов на роль темной материи. Показано, что аксионы подавляют формирование маломассивных гало, приводя к слиянию меньших пустот и ослаблению корреляции пустот и гало, что позволяет ограничить энергию плотности аксионов до $<4.6\%$ от общей темной материи с помощью данных будущих обзоров \textit{Euclid} и DESI. Сможем ли мы, используя свойства космических пустот, раскрыть тайну природы темной материи и проверить предсказания струнной теории о мультивселенной аксионов?

Космическая паутина и пустоты: Архитектура Вселенной

Вселенная не является однородной средой; галактики склонны к объединению в скопления, формируя своего рода космическую паутину, между нитями которой простираются огромные, практически пустые области, известные как войды. Эти гигантские пустоты, достигающие сотен миллионов световых лет в диаметре, представляют собой не просто отсутствие материи, а результат гравитационного отталкивания, вызванного расширением Вселенной и доминирующей ролью темной энергии. Наблюдения за распределением галактик и войдов позволяют ученым реконструировать историю формирования крупномасштабной структуры Вселенной и получить ценные данные о природе темной материи и темной энергии, составляющих большую часть ее массы и энергии. Изучение этих космических пустот открывает уникальные возможности для проверки космологических моделей и углубления понимания эволюции Вселенной.

Распределение темной материи играет фундаментальную роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной. Хотя галактики и скопления галактик являются видимыми компонентами этой структуры, именно невидимая темная материя формирует гравитационный каркас, вокруг которого они собираются. Компьютерное моделирование показывает, что в ранней Вселенной небольшие флуктуации плотности темной материи росли под действием гравитации, образуя сеть нитей и узлов. В этих узлах впоследствии формировались галактики и скопления, а между ними образовались обширные пустые области — войды. Таким образом, понимание распределения темной материи позволяет реконструировать историю формирования Вселенной и предсказывать наблюдаемое распределение галактик, предоставляя ключ к разгадке тайн ее эволюции.

Вопреки распространенному мнению о пустом пространстве, космические пустоты, или войды, представляют собой ценнейшие инструменты для изучения космологии и природы темной материи. Эти огромные области с минимальной плотностью галактик не являются абсолютно пустыми — они содержат крайне разреженную межгалактическую среду и слабые следы гравитационных эффектов. Изучая распределение материи внутри и вокруг войдов, ученые могут точно определить параметры космологической модели, включая плотность темной энергии и скорость расширения Вселенной. Более того, анализ формы и размера войдов позволяет получить информацию о свойствах темной материи, ее взаимодействиях и вкладе в формирование крупномасштабной структуры космоса. По сути, войды выступают в роли естественных «космологических линз», позволяя исследовать раннюю Вселенную и процессы, происходившие в первые моменты после Большого Взрыва.

Результаты моделирования гало показывают, что с уменьшением массы аксиона пустоты увеличиваются в размере и становятся менее заполненными гало, что демонстрируется на примере одной и той же пустоты (выделенной на рисунке 1) при различных значениях массы аксиона от <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^{-{23}}\,\mathrm{eV}</span> до <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^{-{26}}\,\mathrm{eV}</span>. — Результаты моделирования гало показывают, что с уменьшением массы аксиона пустоты увеличиваются в размере и становятся менее заполненными гало, что демонстрируется на примере одной и той же пустоты (выделенной на рисунке 1) при различных значениях массы аксиона от $10^{-{23}}\,\mathrm{eV}$ до $10^{-{26}}\,\mathrm{eV}$ .

Идентификация космических пустот: Методологический подход

Алгоритм ZOBOVVoidFinder эффективно идентифицирует космические пустоты путём картирования областей локальной недоплотности в распределении гало. Этот процесс основан на анализе пространственного распределения тёмных гало — гравитационно связанных структур, содержащих галактики. Алгоритм определяет пустоты как обширные регионы, где плотность гало значительно ниже средней плотности во Вселенной. Идентификация происходит путём последовательного поиска областей, где количество гало в заданном объёме падает ниже определённого порога, что позволяет отделить пустоты от более плотных структур, таких как скопления галактик и нити. Эффективность алгоритма заключается в его способности обрабатывать большие объёмы данных и точно определять границы пустот, что критически важно для космологических исследований.

Для точной идентификации космических пустот необходимо использование высокоразрешающих симуляций, таких как MassPeakPatchSimulation. Эти симуляции позволяют создавать реалистичные каталоги гало, представляющие собой распределение темной материи во Вселенной. Высокое разрешение критически важно для корректного определения границ пустот и избежания ложных срабатываний, особенно при исследовании маломассивных структур. Каталоги, полученные на основе таких симуляций, содержат информацию о положении, массе и концентрации гало, необходимую для применения алгоритмов поиска пустот, таких как ZOBOVVoidFinder, и последующего анализа функций размера и массы пустот.

Метод позволяет получать измерения функции распределения по размерам пустот (Void Size Function, VSF) и функции распределения по массам пустот (Void Mass Function, VMF), что дает возможность количественно оценить свойства космических пустот во Вселенной. VSF описывает количество пустот заданного размера на единицу объема, а VMF — количество пустот заданной массы. Эти функции являются ключевыми характеристиками крупномасштабной структуры Вселенной и позволяют сравнивать результаты наблюдений с предсказаниями космологических моделей. Полученные данные могут быть использованы для изучения эволюции космических пустот и их влияния на формирование галактик и скоплений галактик. $dN/dVdRdM$ — общая форма представления VSF и VMF, где $N$ — количество пустот, $V$ — объем, $R$ — радиус, а $M$ — масса.

Анализ гало-симуляций в модели ΛCDM и при уменьшении массы аксионов от <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^{-{23}}\\,\\mathrm{eV}</span> до <span class="katex-eq" data-katex-display="false">10^{-{26}}\\,\\mathrm{eV}</span> показал, что уменьшение массы аксионов приводит к снижению количества маломассивных гало и увеличению размера пустот, что иллюстрируется на срезах толщиной <span class="katex-eq" data-katex-display="false">50\\,\\mathrm{Mpc}/h</span>, где пустоты обозначены зелеными окружностями, а их размер и положение указаны, а одна из них выделена белым цветом. — Анализ гало-симуляций в модели ΛCDM и при уменьшении массы аксионов от $10^{-{23}}\\,\\mathrm{eV}$ до $10^{-{26}}\\,\\mathrm{eV}$ показал, что уменьшение массы аксионов приводит к снижению количества маломассивных гало и увеличению размера пустот, что иллюстрируется на срезах толщиной $50\\,\\mathrm{Mpc}/h$ , где пустоты обозначены зелеными окружностями, а их размер и положение указаны, а одна из них выделена белым цветом.

Пустоты как космологические зонды: Раскрывая роль темной материи

Функция корреляции пустот и гало темной материи ( $\xi_{vh}$ ) позволяет исследовать взаимодействие между крупномасштабными пустотами в распределении материи и скоплениями темной материи. Анализ этой функции показывает, что пустоты окружены меньшим количеством гало темной материи, чем можно было бы ожидать при случайном распределении, что является следствием гравитационного притяжения, формирующего крупномасштабную структуру Вселенной. Измерение $\xi_{vh}$ на различных масштабах позволяет проверить модели формирования структуры и установить ограничения на параметры космологической модели, включая плотность темной материи и амплитуду флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Подавление числа гало вокруг пустот количественно характеризует степень отклонения от случайного распределения и служит индикатором эффективности гравитационного коллапса.

Измерения функции корреляции пустот (Void-Void Correlation Function, VVCF) позволяют количественно оценить степень кластеризации космических пустот во Вселенной. VVCF описывает вероятность обнаружения другой пустоты на определенном расстоянии от данной. Анализ этой функции показывает, что пустоты не распределены случайным образом, а формируют упорядоченную структуру, соответствующую крупномасштабной структуре Вселенной — космической сети. Выраженная кластеризация пустот подтверждает модель космической сети, где галактики и скопления галактик располагаются вдоль нитей и узлов, а между ними формируются обширные пустые области. Форма и амплитуда VVCF напрямую связаны с параметрами космологической модели, такими как плотность материи и параметр Хаббла, что делает ее важным инструментом для исследования эволюции Вселенной и тестирования различных космологических теорий.

Наблюдения за космическими пустотами позволяют накладывать ограничения на космологические параметры, такие как плотность темной энергии и материи, а также на параметры первичных флуктуаций плотности. Анализ распределения пустот и их корреляций предоставляет статистические данные, которые могут быть использованы для проверки различных космологических моделей и для различения между различными моделями темной материи, включая модели холодной темной материи (CDM) и альтернативные модели, такие как тепловая темная материя или самовзаимодействующая темная материя. Измерения функции корреляции пустот и корреляционной функции пустот-гало позволяют оценивать отклонения от предсказаний стандартной космологической модели ΛCDM и устанавливать более строгие ограничения на свойства темной материи.

Уменьшение массы аксиона приводит к увеличению среднего радиуса пустот и, как следствие, к смещению корреляции между пустотами и гало к большим расстояниям, что видно по отклонению от ΛCDM модели.

Ультралегкие аксионы и структура пустот: Новая связь

Тёмная материя, состоящая из ультралёгких аксионов, обладает волновыми свойствами, существенно отличающими её от традиционных представлений о частицах. Эти волновые характеристики приводят к подавлению формирования небольших структур во Вселенной на ранних стадиях её эволюции. В то время как гравитация обычно способствует слиянию материи и образованию галактик и скоплений, ультралёгкие аксионы создают эффект, препятствующий этой агрегации на малых масштабах. В результате, области с низкой плотностью материи — так называемые «пустоты» (voids) — становятся более крупными и заметными, чем это предсказывается стандартными моделями космологии. Изучение размеров и распределения этих пустот предоставляет уникальную возможность для косвенного обнаружения и характеристики ультралёгких аксионов, служа своеобразным «отпечатком» их присутствия во Вселенной.

Подавление формирования структур на малых масштабах, вызванное ультралегкими аксионами, оставляет отчетливый след в функции распределения пустот во Вселенной — Void Size Function (VSF). Изучение VSF позволяет выявить характерные особенности в размерах и количестве этих пустот, отклоняющиеся от предсказаний стандартной космологической модели. Анализ этих отклонений предоставляет уникальную возможность непрямого обнаружения и характеристики ультралегких аксионов, выступающих в роли темной материи. По сути, VSF становится своеобразным «отпечатком» свойств этих частиц, позволяя астрономам исследовать их массу и другие параметры, используя наблюдения за крупномасштабной структурой Вселенной. Особый интерес представляет возможность повышения точности ограничений на долю темной материи, состоящей из ультралегких аксионов, благодаря будущим обзорам, таким как Euclid.

Анализ показывает, что будущие обзоры, подобные Euclid, способны значительно уточнить границы на долю темной материи, состоящей из ультралегких аксионов. Ожидается, что точность определения этой доли возрастет примерно на 4.6% при 95% уровне достоверности. Это улучшение достигается благодаря детальному изучению крупномасштабной структуры Вселенной и, в частности, характеристик пустот — огромных областей с низкой плотностью галактик. Повышение точности позволит проверить различные теоретические модели, предсказывающие существование ультралегких аксионов, и приблизиться к пониманию природы темной материи, составляющей большую часть массы Вселенной.

Уменьшение массы аксиона приводит к увеличению размера пустот во Вселенной и снижению их плотности и общей численности, что проявляется в сдвиге функции размера пустот в сторону больших значений и уменьшении амплитуды функции массы пустот.

Исследование космических пустот, представленное в данной работе, подчеркивает важность анализа крупномасштабной структуры Вселенной для понимания природы темной материи. Авторы демонстрируют, что характеристики этих пустот, в частности, их размер и распределение, чувствительны к массе ультралегких аксионов. Это открывает новые возможности для косвенного изучения темной материи, дополняя традиционные методы, основанные на галактических обзорах и анализе космического микроволнового фона. Как однажды заметил Эрнест Резерфорд: «Если бы я мог бы управлять Вселенной, я бы сделал ее простой». В данном исследовании сложность Вселенной раскрывается через анализ пустот, требуя численных методов и анализа устойчивости решений Эйнштейна для точного моделирования и интерпретации полученных данных.

Что дальше?

Изучение космических пустот как индикатора ультралегких аксионов, как представлено в данной работе, обнажает закономерную иронию: чем глубже погружение в кажущуюся пустоту Вселенной, тем отчетливее становится осознание собственных ограничений. Каждая итерация численного моделирования — это попытка уловить неуловимое, но сама природа аксионов, их масса, остаются ускользающими тенями на горизонте событий наших знаний. Попытки связать свойства пустот с параметрами темной материи, безусловно, расширяют инструментарий исследователя, но не гарантируют окончательного ответа.

Очевидно, что предстоит еще долгий путь к пониманию природы темной материи. Ограничения современных симуляций, необходимость учета сложных эффектов, связанных со смещением галактик и нелинейной эволюцией структуры Вселенной, — всё это требует дальнейших усилий. Прогнозируемые возможности будущих обзоров галактик, безусловно, впечатляют, но не стоит забывать, что сама Вселенная, вероятно, приготовила для нас новые сюрпризы, которые потребуют пересмотра существующих моделей.

В конечном счете, изучение космических пустот, как и любые другие исследования в области космологии, — это не просто попытка понять Вселенную, но и зеркало, отражающее наше собственное невежество. Каждая новая находка лишь подчеркивает, насколько мало мы знаем и как много предстоит открыть. И в этом — парадоксальная красота научного поиска.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.22990.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-27 12:25