Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://hit-conf.imec.msu.ru/2012/abstracts/Pilipenko_tezisy.doc Дата изменения: Sun Jun 14 09:32:09 2015 Дата индексирования: Sat Apr 9 23:47:53 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: астрономическое образование

О СИНГУЛЯРНОСТЯХ В РАСПРЕДЕЛЕНИИ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ

С.В. Пилипенко, А.Г. Дорошкевич, В.Н. Лукаш
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва

В настоящее время благодаря наблюдениям анизотропии реликтового излучения,
крупномасштабного распределения галактик, строения рентгеновских скоплений
галактик и другим данным считается надежно установленным, что во Вселенной
значительную долю массы составляет темная материя (в пять раз больше
обыкновенной барионной материи). Эта материя является бесстолкновительной
(не участвует в электромагнитном и сильном взаимодействиях) и холодной
(нерелятивистской к настоящему моменту времени). Исследование темной
материи представляет большой интерес, поскольку она представляет собой
некое вещество, которое не предсказывается стандартной моделью элементарных
частиц и ее до сих пор невозможно получить в лаборатории. Один из
реалистичных методов исследования темной материи - сравнение теоретических
предсказаний ее поведения с результатами астрономических наблюдений.
В процессе эволюции Вселенной малые начальные возмущения плотности
нарастают, и в результате образуются гравитационно-связанные
(вириализованные) сгустки - гало (в уоторых затем образуются галактики или
скопления галактик). Задача эволюции распределения темной материи допускает
аналитическое решение только в простейших случаях - одномерный коллапс
плоской волны плотности, коллапс сферы и т.п., для более сложных задач
необходимо численное моделирование.
Полученные ведущими мировыми группами численные результаты показывают, что
гало характеризуются радиальным профилем плотности вида r-1 в центре, т.е.
имеется расходимость плотности (касп). В то же время наблюдения показывают,
что по крайней мере в некоторых галактиках каспа нет (наблюдательные данные
лучше всего описываются профилем с постоянной плотностью в центре). Обзор
данной проблемы дан в работе [1]. Если это расхождение является физическим,
оно может свидетельствовать об отклонениях свойств темной материи от
общепринятых в настоящее время (модель холодной темной материи). Поэтому
необходимо тщательно проверить как интерпретацию наблюдений, так и
неизбежные ошибки численных расчетов, чему и посвящена данная работа.
Численное моделирование данной задачи представляет собой решение
бесстолкновительного уравнения Больцмана в приближении N-тел в трехмерном
пространстве. Начальные условия известны из теории и результатов наблюдений
реликтового излучения, граничные условия периодические. Пробные частицы
взаимодействуют по ньютоновскому закону тяготения, но для борьбы с
двухчастичными столкновениями гравитационный потенциал сглажен на некотором
масштабе. Начальные возмущения задаются малыми (они описываются линейной
теорией), под действием гравитации они нарастают, образуются каустики с
нестационарным потенциалом, что вызывает коллективный обмен энергией между
частицами (этот процесс называют бурной релаксацией) и выбрасывание
энергичных частиц из системы, и таким путем образуются стабильные
вириализованные гало.
Ошибки численного моделирования можно разбить на два вида: связанные с
точностью приближения N-тел и связанные с точностью задания начальных
условий. Первый вид ошибок считается хорошо изученным, как теоретически
[2], так и по сходимости результатов моделирования [3]. Ошибки начальных
условий связаны с ограниченностью разрешения и размера модельного куба:
теряются мелкомасштабные и крупномасштабные возмущения. Начальные
возмущения гауссовы и характеризуются спектром мощности, растущим в сторону
малых масштабов. В работе [1] на основе аналитических расчетов было
показано, что отрезание малых масштабов при задании начальных условий ведет
к потере важной информации. Авторы [1] описывают эту информацию в терминах
энтропии, учет который «разогревает» темную материю и разрушает каспы
плотности, состоящие из холодных частиц.
В данной работе на примере численных моделей с упрощенными начальными
условиями исследовался предсказанный в [1] эффект. Начальные условия
представляли собой три волны плотности по трем перпендикулярным
пространственным осям с разными амплитудами. Известно, что при эволюции
такой системы образуется гало с каспом r-1 в центре. В эту систему были
дополнительно добавлены возмущения на малых масштабах, что привело к
уплощению профиля плотности гало.
Таким образом, подтверждено, что наличие мелкомасштабных возмущений в
изначально холодной бесстолкновительной среде ведет к ее разогреву и
препятствует образованию сингулярностей в распределении материи.
Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогичесие кадры
инновационной России на 2009-2013 гг.»

ЛИТЕРАТУРА
1. А.Г. Дорошкевич, В.Н. Лукаш, Е.В. Михеева. К решению проблем «каспов» и
кривых вращения в гало темной материи в космологической стандартной модели.
УФН, 2011, в печати
2. E. Athanassoula, E. Fady, J.C. Lambert, и др. Optimal softening for
force calculations in collisionless N-body simulations. Mon. Not. R.
Astron. Soc. 2000, 314, 475-488.
3. C.Power, J.F. Navarro, A. Jenkins и др. The inner structure of LCDM
halos -I. A numerical convergence study. Mon. Not. R. Astron. Soc. 2003,
338, 14-34.