Tranches de densité zoomant dans un halo flou de matière noire. Le graphique de droite montre la fonction d'onde de matière noire floue reconstruite avec un motif d'interférence auto-cohérent et un noyau solitonique central utilisant la méthode de faisceau gaussien nouvellement présentée dans la région la plus interne et hautement résolue du halo. Crédit :Schwabe &Niemeyer.
La matière noire est un type de matière dans l'univers qui n'absorbe, ne réfléchit ni n'émet de lumière, ce qui la rend impossible à détecter directement. Ces dernières années, les astrophysiciens et les cosmologistes du monde entier ont tenté de détecter indirectement ce type de matière insaisissable, afin de mieux comprendre ses caractéristiques et sa composition uniques.
L'un des candidats les plus prometteurs pour la matière noire est la "matière noire floue", une forme hypothétique de matière noire qui serait constituée de particules scalaires extrêmement légères. Ce type de matière est connu pour être difficile à simuler, en raison de ses caractéristiques uniques.
Des chercheurs de l'Université de Saragosse en Espagne et de l'Institut d'astrophysique en Allemagne ont récemment proposé une nouvelle méthode qui pourrait être utilisée pour simuler la matière noire floue formant un halo galactique. Cette méthode, présentée dans un article publié dans Physical Review Letters , est basé sur l'adaptation d'un algorithme que l'équipe a introduit dans ses travaux précédents.
"Le défi numérique pour les études axées sur la matière noire floue est que ses caractéristiques distinctives, les fluctuations de densité granulaire dans les halos et les filaments effondrés, sont des ordres de grandeur plus petits que n'importe quelle boîte de simulation cosmologique suffisamment grande pour capturer avec précision la dynamique de la toile cosmique." Bodo Schwabe, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, a déclaré à Phys.org. "Ainsi, pendant des années, les gens ont essayé de combiner des méthodes numériques efficaces capturant la dynamique à grande échelle avec des algorithmes exigeants en calcul mais capables de faire évoluer avec précision ces fluctuations de densité."
Dans le cadre de leur étude récente, Schwabe et son collègue Jens C. Niemeyer ont adapté et amélioré un algorithme qu'ils avaient introduit dans leurs travaux précédents. Jusqu'à présent, la méthode qu'ils ont développée est la seule qui puisse être utilisée avec succès pour mener des simulations de cosmologie de matière noire floue.
Grâce à leur algorithme adapté, les chercheurs ont pu simuler l'effondrement de la toile du cosmos en filaments et halos. Ceci a été réalisé en utilisant la méthode dite "à n corps", qui divise le "champ de densité initial" en petites particules qui évoluent librement sous la force de gravité.
"La méthode à n corps est une méthode très stable, bien testée et efficace, mais elle ne capture pas les fluctuations de densité du champ de matière noire floue interférant dans les filaments et les halos", a expliqué Schwabe. "Dans un minuscule sous-volume de notre boîte de simulation traçant au centre un halo présélectionné, nous sommes donc passés à un algorithme différent, connu sous le nom de méthode des différences finies, qui fait directement évoluer la fonction d'onde floue de la matière noire et peut ainsi capturer ses interférences. modes donnant les fluctuations de densité granulaires caractéristiques."
Bien que les méthodes à n corps et aux différences finies soient largement utilisées par l'astrophysique dans le monde entier pour effectuer des simulations cosmologiques, elles ont rarement été utilisées conjointement. Pour effectuer leurs simulations, Schwabe et Niemeyer ont combiné ces deux méthodes, en s'appuyant sur la modération entre elles sur la surface du sous-volume.
Plus précisément, la méthode qu'ils ont utilisée promeut les particules à n corps en paquets d'ondes cohérents connus sous le nom de "faisceaux gaussiens". La superposition de ces éléments a conduit à une fonction d'onde de matière noire floue à leur intersection, ce qui a finalement permis d'effectuer leurs simulations.
"Notre combinaison réussie des méthodes à n corps et aux différences finies ouvre la voie à des simulations réalistes de matière noire floue cosmologique", a ajouté Schwabe. "These simulations can include the collision of two or more fuzzy dark matter halos, the evolution of star clusters inside a halo, or their interaction with the central solitonic core whose random walk can potentially heat up or even disrupt the star cluster."
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