Wissenschaftler haben einen Laptop-Code entwickelt, um kollabierende Halos aus dunkler Materie zu untersuchen

    Physiker haben eine neue Simulation entwickelt, um selbstwechselwirkende dunkle Materie zu testen, bei der Teilchen miteinander kollidieren. Damit können Forscher den „Kernkollaps“ von Halos präzise modellieren – ganz bequem vom Laptop aus.

    Physiker haben eine neue Simulation entwickelt, mit der das „Zwischenverhalten“ von selbstwechselwirkender dunkler Materie endlich ohne Supercomputer getestet werden kann.
    Physiker haben eine neue Simulation entwickelt, mit der das „Zwischenverhalten“ von selbstwechselwirkender dunkler Materie endlich ohne Supercomputer getestet werden kann.
    Lee Bell
    Lee Bell Meteored Vereinigtes Königreich 4 min

    Dunkle Materie ist das unsichtbare Zeug, auf das Astronomen immer wieder stoßen. Man kann sie nicht sehen, aber man kann ihre Anziehungskraft daran erkennen, wie sich Galaxien bewegen und wie sich das Universum zusammenballt. Die Schwerkraft der Dunklen Materie ist im Grunde genommen das Gerüst, an dem alles andere hängt.

    Eine große Unbekannte ist, ob dunkle Materie völlig unzugänglich ist oder ob sie gelegentlich mit sich selbst kollidieren kann. Die Physiker James Gurian und Simon May vom Perimeter Institute haben diese Idee mit einer neuen Simulation getestet, und die Ergebnisse waren etwas überraschend.

    Wie dunkle Materie kollabiert

    Selbstwechselwirkende dunkle Materie würde normale Materie weiterhin ignorieren – kein Licht und keine Reibung mit Gas –, aber ihre eigenen Teilchen könnten miteinander kollidieren und Energie umverteilen. Und da Galaxien in Halos aus dunkler Materie existieren, kann diese Umverteilung den Kern des Halos umformen.

    „Dunkle Materie bildet relativ diffuse Klumpen, die dennoch viel dichter sind als die durchschnittliche Dichte des Universums“, sagte Gurian. „Die Milchstraße und andere Galaxien befinden sich in diesen Halos aus dunkler Materie.“

    Die neue Modellierung hat gezeigt, dass kollidierende dunkle Materie dazu geführt haben könnte, dass sich die Kerne der Halos erwärmt und verdichtet haben, und der neueste Code hat den Forschern dabei geholfen, zu untersuchen, was dieser Zusammenbruch als Nächstes bewirken könnte.
    Die neue Modellierung hat gezeigt, dass kollidierende dunkle Materie dazu geführt haben könnte, dass sich die Kerne der Halos erwärmt und verdichtet haben, und der neueste Code hat den Forschern dabei geholfen, zu untersuchen, was dieser Zusammenbruch als Nächstes bewirken könnte.

    Das Seltsame daran ist, dass in einem Gravitationssystem der Energieverlust dazu führen kann, dass sich das Zentrum erwärmt und nicht abkühlt.

    „Man hat diese selbstwechselwirkende dunkle Materie, die Energie transportiert, und sie neigt dazu, Energie in diesen Halos nach außen zu transportieren“, erklärte Gurian. „Dies führt dazu, dass der innere Kern sehr heiß und dicht wird, da die Energie nach außen transportiert wird.“

    Dieser außer Kontrolle geratene Druckanstieg wird als gravitationaler thermischer Kollaps bezeichnet.

    Wenn dieser Zusammenbruch eintritt, könnte er Hinweise in der Galaxienstruktur hinterlassen und in einigen Szenarien sogar dazu beitragen, die Entstehung von Schwarzen Löchern anzustoßen. Aber die Physik befindet sich in einem unübersichtlichen Mittelbereich, in dem Kollisionen weder selten noch konstant sind, und genau hier hatten ältere Modelle ihre Schwierigkeiten.

    Eine Simulation im Laptop-Maßstab

    Der knifflige Teil ist hier die Mitte, da hier der Engpass liegt.

    Gurian fasste das alte Problem zusammen, indem er erklärte, dass ein Ansatz eine N-Körper-Simulation ist, die sehr gut funktioniert, wenn die Dunkle Materie nicht sehr dicht ist und Kollisionen selten sind.

    „Der andere Ansatz ist ein fließender Ansatz – und dieser funktioniert, wenn die Dunkle Materie sehr dicht ist und es häufig zu Kollisionen kommt“, sagte er. „Aber für den Zwischenbereich gab es keine gute Methode.“

    Das soll der neue Code der Wissenschaftler beheben – das Dazwischen ist das gesamte Ziel.

    Die Software namens KISS-SIDM wurde entwickelt, um diese Regime schnell und mit höherer Genauigkeit als die üblichen Abkürzungen zu überbrücken, erklärten die Forscher.

    „Dieser Code ist schneller und kann auf einem Laptop ausgeführt werden“, sagte Gurian und fügte hinzu, dass es beim Testen von Ideen zur Dunklen Materie weniger um den Zugang zu Supercomputern gehe, sondern vielmehr darum, intelligentere Fragen zu stellen. KISS-SIDM mache dies möglich, so Gurian.

    Quellenhinweis:

    Core Collapse Beyond the Fluid Approximation: The Late Evolution of Self-Interacting Dark Matter Halos, published in Physical Review Letters, November 2025.