دانشمندان تاروپود ماده تاریک را در اطراف کهکشان راه شیری & زومیت نقشه برداری می کنند

کارلوس فرانک در دهه های 1980 و 1990 او روی مجموعه ای از اولین نظریه های ماده تاریک سرد کار کرد. او فکر می کرد که این نظریه مدت زیادی دوام نخواهد آورد. در اینجا، “سرد” به ذرات نامرئی در سرعت های نسبتا پایین اشاره دارد. او و همکارانش قبلاً نظریه ماده تاریک داغ و سریع را آزمایش کرده بودند. طبق این نظریه، ماده تاریک از ذرات شبه نوترینو تشکیل شده است. اما این احتمال به سرعت حذف شد. در عوض، نظریه ماده تاریک سرد مدل استاندارد برای اخترفیزیکدانان برای دو دهه بوده است.

اکنون، فرانک، اخترفیزیکدان دانشگاه دورهام در بریتانیا، در تلاش است تا نواقص نظریه ماده تاریک سرد را دوباره کشف کند. او امیدوار است با استفاده از شبیه سازی جدید خود به سوالات تئوری بی پاسخ پاسخ دهد. او گفت: “علم به این شکل عمل می کند.” یکی از آرزوهای من در حال حاضر این است که نظریه ای را که در آن زمان برایش خیلی زحمت کشیدم رد کنم.

فرانک و همکارانش در دانشگاه‌های دورهام و هلسینکی فنلاند بخش اول شبیه‌سازی کامپیوتری دنیای ماده تاریک را به پایان رساندند. این پروژه که Simulation Beyond the Local World یا SIBELIUS نام دارد توسط استوارت مک آلپاین در کاشی سائول این اتفاق افتاد که این دو قبلاً با فرانک در دورهام کار کرده بودند.

تحقیقات آنها فقط در مورد شبیه سازی ماده تاریک نیست. کهکشان ها نیز بر اساس کهکشان راه شیری و خانه ما روی زمین مدل سازی و مدل سازی شده اند. تحقیقات آنها در ماه گذشته منتشر شد. “این اولین تلاش برای شبیه سازی کهکشان ما در جهان است، با ساختارهایی که می شناسیم؛” از جمله خوشه های کما و خوشه های سنبله.”

ویژگی های کیهانی در فاصله ده ها میلیون سال نوری یا بیشتر از زمین برای درک ادغام و تکامل کهکشان راه شیری در طی میلیاردها سال ضروری است. این ویژگی ها ممکن است بر دیدگاه فیزیکدانان در مورد سرعت انبساط جهان تأثیر بگذارد. فرانک و تیمش امیدوارند که شبیه‌سازی‌هایشان ابزار مفیدی برای حل این سؤالات مهم باشد و اگر نتوانند به این سؤالات پاسخ دهند، به این معنی است که نظریه‌های فعلی ماده تاریک پر از مشکلات است.

تلاش‌های گذشته نظریه‌پردازان، از جمله خود فرانک، بر شبیه‌سازی بخش‌های بزرگی از کیهان که از نظر آماری شبیه به دنیای واقعی هستند، محاسبه تعداد کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی یا تمرکز بر کهکشان راه شیری متمرکز بوده است. اما هنوز چیزهای زیادی برای آموختن از کل کهکشان وجود دارد.

ستاره شناسان کهکشان راه شیری را نقشه برداری کرده اند و کهکشان های ماهواره ای کوچکی مانند ابر ماژلانی بزرگ را مشاهده کرده اند که شبیه به ماه در مدار راه شیری می چرخند. آنها چندین دهه است که خوشه های کهکشانی و دیگر اجرام نزدیک را طبقه بندی می کنند. چارلز مسیحادر سال 1781، یک ستاره شناس فرانسوی برای اولین بار خوشه سنبله را در صورت فلکی به همین نام کشف کرد.

سیبلیوس مجموعه ای پیچیده تر است. زیرا مبتنی بر مشاهدات مؤثر مجاورت کیهانی است و در واقع هدف آن بازسازی جغرافیای محلی کهکشان راه شیری است. مجموعه شبیه سازیسیبلیوس جامع است و می تواند فضای سه بعدی را شبیه سازی کند که بخشی از آن تا 3.3 میلیارد سال نوری امتداد دارد. در این جهان مجازی کهکشان راه شیری در مرکز جهان و کهکشان آندرومدا در کنار آن قرار دارد.

SIBELIUS در نوع “اجرای محدود” است. یعنی شبیه‌سازی این مجموعه و دیگر کهکشان‌های محلی باید با آنچه در دنیای واقعی می‌دانیم مطابقت داشته باشد. با نقشه برداری از این داده ها، محققان می خواهند در یک زمینه گسترده تر ببینند که آیا این منطقه نشان دهنده کل جهان است یا قانون خاصی وجود ندارد. در یک جهان نامنظم، ممکن است کهکشان های بیشتر یا کمتر از حد انتظار در اطراف جو وجود داشته باشد.

در مرکز شبیه سازی کهکشان راه شیری و نزدیک ترین همسایه آن، کهکشان آندرومدا (M3) قرار دارد.

اکثر فیزیکدانان معتقدند که تاروپودهای عظیم و پنهان ماده تاریک باعث تجمع ساختارهای کهکشانی می شوند. در برخی از بخش‌های شبیه‌سازی SIBELIUS، ماده تاریک بیشتری نسبت به بقیه وجود دارد. در این شبیه سازی، ماده تاریک از نظر جرم کوچک می شود و سپس منبسط می شود. فرانک و همکارانش نحوه شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها را مدل‌سازی کردند و سپس رویدادهای این شبیه‌سازی را با رویدادهای دنیای واقعی مقایسه کردند.

مایک بولان کولچیناخترفیزیکدان دانشگاه تگزاس در آستین، تحقیقاتی را در مورد شبیه سازی ماده تاریک و کهکشان ها انجام داده است. او این وضعیت را به کسی تشبیه کرد که کلان شهرهای فعلی را توصیف می کند و سپس دیدگاه دقیق تری از تاریخ به هم پیوسته آنها و جاده های بین کلان شهرها ایجاد می کند. او می گوید:

برای مثال، فرض کنید تعداد شهرهای بزرگ ایالات متحده را می دانید. اما اگر بدانید این شهرها در کجا با یکدیگر مقایسه می شوند و جغرافیای آنها را می دانید، می توانید اطلاعات بیشتری در مورد تاریخ و چگونگی شکل گیری آنها کسب کنید.

در تاریخچه کهکشان راه شیری، کلچین همچنین گفت که ما می خواهیم بدانیم که ماده تاریک و کهکشان های دیگر در آن سوی راه شیری چگونه گذشته آن را منعکس می کنند. دستیابی به توزیع مشخصی از کهکشان های اطراف چقدر اهمیت دارد؟ برخی از ویژگی های کهکشان راه شیری چقدر است و چقدر با محیط بزرگتر مرتبط هستند؟ در این شبیه سازی ها می توان به تمامی این سوالات پاسخ داد.

ستاره شناسان تلسکوپ های خود را بر روی نزدیک ترین نقطه جهان متمرکز کردند. زیرا آنها می توانند ستارگان و کهکشان های این مناطق را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند. اما اخترفیزیکدانان گاهی اوقات در محاسبه فوت مربع مجاورت یک کهکشان با نظریه های ماده تاریک مشکل دارند. به عنوان مثال، مدل‌های قبلی پیش‌بینی می‌کردند که کهکشان‌های نزدیک بیشتری در دنیای واقعی وجود داشته باشند که «ماهواره‌های گمشده» نامیده می‌شوند.

جرم ماده تاریک کشش گرانشی کافی برای جمع آوری گازهای تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها دارد. با این حال، مشکل این است که شبیه‌سازی‌ها جرم‌های بزرگ و چرخشی ماده تاریک را تولید می‌کنند که شبیه ماده تاریک کهکشان‌های ماهواره‌ای است. اما به نظر می رسد که آنها مشابهی در جهان ندارند. به این “خیلی بزرگ” می گویند. از آنجایی که تصور می شود حباب های بزرگ ماده تاریک آنقدر سنگین هستند که وجود یک کهکشان در قلب آنها غیرممکن است.

چالش سوم از این واقعیت ناشی می شود که کهکشان های ماهواره ای در اطراف کهکشان راه شیری و آندرومدا احتمالاً در یک هواپیما در مدار هستند و در همه جا پراکنده نیستند. این چیزی است که فیزیکدانان ماده تاریک پیش بینی کردند. به طور کلی، مشکلات کیهانی دیگری وجود دارد که فرانک و همکارانش به دنبال حل آنها هستند. ستاره شناسان از انفجارهای ابرنواختر نزدیک و سایر پدیده های محلی برای اندازه گیری سرعت انبساط کیهان و تأثیر آن بر پاسخ های مختلف استفاده می کنند. اگر مدل‌های ماده تاریک درست باشند، باید راه‌حلی برای تفاوت بلندمدت بین مشاهدات گذشته و حال وجود داشته باشد.

شبیه سازی هایی مانند SIBELIUS می تواند به حل این مشکلات کمک کند. موقعیت کهکشان روی تاروپود کیهانی ماده تاریک می تواند بر اندازه گیری سرعت انبساط کیهان تأثیر بگذارد. در نتیجه این سوال مطرح می شود که اگر مجرای شیر در یکی از حفره های این بافت تارو باشد چه اتفاقی می افتد؟ شاید کهکشان راه شیری مانند روستایی بین کلان شهرهای تاریک باشد.

اگر بخشی از جهان که در آن قرار داریم واقعاً کل را نشان نمی دهد، اندازه گیری های ما از سرعت انبساط جهان ممکن است اشتباه باشد. بهفتی پریاموادا نتاراجانکهکشان راه شیری می تواند در مناطق نسبتاً متراکم ماده تاریک یا در ناحیه ای با چگالی کم قرار گیرد. او اضافه کرد:

نکته جالب در مورد این شبیه سازی این است که می توانیم به این سوالات پاسخ دهیم: آیا موقعیت ما مشترک است یا خاص؟ هر چند وقت یکبار چیزهایی را در اطراف خود به اشتراک می گذاریم؟ آیا در کوه هستیم یا در ته دره؟

بهفتی خاستگاه جنیهنگامی که اخترفیزیکدانان در موسسه فضایی Astrophysique در اورسی، فرانسه، هنگام مقایسه کهکشان های مشاهده شده با آنچه در شبیه سازی ها می بینیم، باید سیب را با سیب مقایسه کنیم. منبع در طراحی شبیه‌سازی مشابهی به نام CLONE که بر کهکشان‌های صورت فلکی سنبله متمرکز بود، مشارکت داشت. او گفت: «اگر خوشه‌ها سابقه یکسانی نداشته باشند یا در یک محیط نباشند، نمی‌توان آنها را مقایسه کرد.

فرانک و تیمش چندین آزمایش اولیه را بر روی کامپیوترهای با وضوح پایین انجام دادند. اما زمان محدود به استفاده از ابررایانه ها مانند تلسکوپ است. آنها فقط یک بار این فرصت را داشتند که شبیه سازی خود را اجرا کنند، که به میلیون ها ساعت زمان محاسباتی روی هزاران هسته کامپیوتر نیاز داشت. اما بر اساس نتایج شبیه سازی، آنها دریافتند که منطقه اطراف کهکشان راه شیری غیرعادی به نظر می رسد.

در واقع، ما در مناطق کیهانی با تعداد کهکشان‌های کمتر از میانگین زندگی می‌کنیم. اما خوشه‌های کهکشانی زیادی نیز در جهان وجود دارند که تعداد کهکشان‌هایشان بیش از میانگین است. به همین دلیل، محل زندگی ما مانند زندگی در یک شهر کم ارتفاع مانند لس آنجلس بود که کوه ها در دوردست بودند.

فرانک و بویلان کولچین معتقدند که اگر کهکشان راه شیری یک نمونه منحصر به فرد باشد، می تواند به توضیح برخی از اسرار ماده تاریک کمک کند. اگر در مناطق پراکنده جهان بودیم، می فهمیدیم که چرا اندازه گیری های محلی ما از سرعت انبساط جهان با آنچه از اندازه گیری های جهان دور انتظار داریم متفاوت است.

علاوه بر این، اگر کهکشان ما در نواحی نامنظم کیهان قرار گیرد، شاهد ترکیب عجیب کهکشان های ماهواره ای خواهیم بود. شاید این ماهواره ها به طور خاص در کهکشان راه شیری در مدار باشند. به عبارت دیگر، اگر فضای عجیبی در اطراف کهکشان راه شیری وجود داشته باشد; یعنی نظریه ماده تاریک در حال حاضر از این چالش ها جان سالم به در برده است.

با وجود تمام فرضیه ها، شبیه سازی SIBELIUS هنوز جای پیشرفت دارد. همچنین، اگر مدل تشکیل کهکشان از متغیرهای سیال برای ردیابی ابرهای گازی که در ستاره‌ها و کهکشان‌ها تشکیل می‌شوند استفاده کند، می‌تواند منبع بهتری باشد. بنابراین، کهکشان ها به طور طبیعی به توده هایی از ماده تاریک تبدیل می شوند که می تواند برای بررسی دقیق تر ماده تاریک مفید باشد.

فرانک و تیمش می خواهند این کار را انجام دهند. با این حال، آنها به زمان بیشتری برای محاسبه در ابر رایانه نیاز دارند. در حال حاضر، فرانک از این شبیه‌سازی‌ها برای بررسی مشکلات مدل ماده تاریک سرد استفاده می‌کند. او گفت: «اگر این نظریه اشتباه است، من می‌خواهم آن را ثابت کنم.