Физики исследовали коллапс аксионной темной материи на домашнем компьютере

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 ученым приходилось использовать суперкомпьютеры. Статья опубликована в Physics Letters B.

Один из альтернативных кандидатов на роль частиц темной материи — это темный аксион, гипотетическая сверхлегкая частица (предполагается, что ее масса лежит в диапазоне от 10⁻¹⁸ до 10⁻⁶ электронвольт). Изначально аксионы были придуманы, чтобы решить проблему сохранения CP-инвариантности в квантовой хромодинамике (сильная CP-проблема). CP-инвариантность КХД означает, что ее законы не изменяются при одновременной замене всех частиц на античастицы и зеркальном отражении системы; вообще говоря, в Стандартной модели нет механизмов, которые приводят к подобному закону сохранения, однако добавление в теорию нового поля, колебаниям которого отвечает аксион, объяснило бы этот факт. В то же время, аксион очень слабо взаимодействует с другими частицами Стандартной модели, что делает его хорошим кандидатом на роль темной материи. Пока экспериментальных подтверждений существования этой частицы нет, хотя ее поиски активно ведутся. Более подробно об аксионах можно прочитать в наших новостях [1, 2], а также в статье «Ищут давно, но не могут найти...».

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.

Численно решая полученные уравнения, ученые выяснили, как аксионная звезда эволюционируют со временем в зависимости от значения массы аксиона m, константы распада f и массы Бонди M_B (то есть массы звезды, которую видит бесконечно далекий наблюдатель, находящийся в асимптотически плоском пространстве). 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.
Авторы статьи предполагают, что эта неопределенность связана с недостатками численной модели, которая позволяет исследовать только сферически симметричные ситуации. Возможно, в реальности несимметричности, возникающие в ходе коллапса, выравнивают положение, и между фазами можно провести непрерывную границу. Впрочем, программа ученых правильно ухватывает основные зависимости и требует сравнительно немного вычислительных ресурсов, а потому должна упростить дальнейшее исследование бозонных звезд.

В ноябре 2017 года физики-теоретики из Испании и Португалии численно исследовали, как бозонные звезды искажают свет, проходящий в их окрестностях. Оказалось, что на расстоянии, превышающем гравитационный радиус объекта, звезды ведут себя так же, как черные дыры, однако изображения их «внутренних областей» сильно отличаются. В то время как черные дыры полностью поглощают свет, пересекший горизонт событий, и отбрасывают видимую «тень», бозонные звезды заполняют «внутреннюю область» бесконечным числом повторяющихся копий картины внешнего пространства. Кроме того, ученые показали, что при рассмотренных параметрах частиц бозонные звезды неустойчивы и под действием внешнего возмущения быстро коллапсируют в черные дыры, причем время жизни звезды прямо пропорционально ее массе (тяжелые звезды живут дольше).

Тем не менее, авторы статьи отмечали, что им потребовалось много вычислительного времени, чтобы получить описанные результаты — в частности, им пришлось использовать вычислительные кластеры Университета Валенсии и Университета Авейру. Возможно, новая работа позволит получать аналогичные результаты, затрачивая гораздо меньше усилий.

Дмитрий Трунин