دانشمندان از تاروپودهای ماده تاریک در اطراف کهکشان راه شیری & زومیت نقشه برداری می کنند

کارلس فرانک در دهه های 1980 و 1990 او روی مجموعه ای از نظریه های اولیه 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 ذراتی مانند نوترینو ساخته شده است. اما این احتمال به سرعت منتفی شد. در عوض، نظریه ماده تاریک سرد برای دو دهه به مدل استاندارد برای اخترفیزیکدانان تبدیل شد.

فرانک، اخترفیزیکدان دانشگاه دورهام در بریتانیا، اکنون در تلاش است تا نواقص نظریه ماده تاریک سرد را دوباره کشف کند. او امیدوار است با شبیه سازی جدید خود به سؤالات بی پاسخ در تئوری پاسخ دهد. او می گوید: «علم به این شکل عمل می کند. یکی از آرزوهای من امروز این است که نظریه ای را که در گذشته روی آن کار می کردم رد کنم.

فرانک و همکارانش در دانشگاه های دورهام و هلسینکی فنلاند به تازگی بخش اول شبیه سازی کامپیوتری دنیای ماده تاریک را به پایان رسانده اند. این پروژه که Simulation Beyond the Local World یا SIBELIUS نام دارد توسط استوارت مک آلپاین من تیل ساوالا گزارش شده است که این دو قبلا در دورهام با فرانک همکاری کرده بودند.

تحقیقات او فقط در مورد شبیه سازی ماده تاریک نیست. کهکشان ها نیز به طور دقیق بر اساس کهکشان راه شیری و خانه ما در جهان الگوبرداری و مدل سازی شده اند. تحقیقات او ماه گذشته منتشر شد. این اولین تلاش برای شبیه سازی کهکشان ما در جهان است، با ساختارهایی که می شناسیم. “شامل خوشه های کاما و خوشه های سنبله”.

ویژگی های کیهانی که ده ها میلیون سال نوری یا بیشتر از زمین فاصله دارند برای درک ادغام و تکامل کهکشان راه شیری در طی میلیاردها سال ضروری هستند. این ویژگی ها می تواند بر دیدگاه فیزیکدانان در مورد سرعت انبساط جهان تأثیر بگذارد. فرانک و تیمش امیدوارند که شبیه سازی های آنها ابزار مفیدی برای حل این سوالات مهم باشد و اگر به این سوالات پاسخ ندهند به این معنی است که نظریه های فعلی ماده تاریک پر از مشکلات است.

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

ستاره شناسان کهکشان راه شیری را نقشه برداری کردند و کهکشان های ماهواره ای کوچکی مانند ابر ماژلانی بزرگ را مشاهده کردند که به روشی مشابه ماه به دور کهکشان راه شیری می چرخیدند. آنها چندین دهه است که خوشه های کهکشانی و دیگر اجرام مجاور را طبقه بندی می کنند. کارلس مسیسدر سال 1781، ستاره شناس فرانسوی برای اولین بار خوشه سنبله را در صورت فلکی به همین نام کشف کرد.

سیبلیوس این مجموعه پیچیده تر است. زیرا بر اساس مشاهدات مؤثر مجاورت کیهانی است و در واقع هدف آن بازسازی جغرافیای محلی کهکشان راه شیری است. مجموعه شبیه سازی سیبلیوس کامل است و می تواند فضای سه بعدی را شبیه سازی کند که یک طرف آن به 3.3 میلیارد سال نوری می رسد. در این جهان مجازی کهکشان راه شیری در مرکز جهان قرار دارد و کهکشان آندرومدا در مجاورت آن قرار دارد.

SIBELIUS از نوع “اجرای محدود” است. یعنی شبیه سازی های این مجموعه و دیگر کهکشان های محلی باید با آنچه در دنیای واقعی می دانیم مطابقت داشته باشد. در نقشه‌برداری از این داده‌ها، محققان می‌خواهند در زمینه وسیع‌تری ببینند که آیا منطقه نشان‌دهنده کل جهان است یا نه، قانون خاصی دارد. در یک جهان نامنظم، ممکن است کهکشان‌های بیش از حد انتظار در اطراف محیط وجود داشته باشد.

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

بیشتر فیزیکدانان بر این باورند که تاروپودهای ماده تاریک عظیم و پنهان باعث گرد هم آمدن ساختارهای کهکشانی می شوند. در برخی از بخش‌های شبیه‌سازی SIBELIUS، ماده تاریک بیشتری نسبت به بخش‌های دیگر وجود دارد. در این شبیه سازی، جرم ماده تاریک کاهش یافته و سپس رشد می کند. فرانک و همکارانش نحوه شکل گیری کهکشان ها و چگونگی رشد توده ها را مدل کردند و سپس وقایع این شبیه سازی را با پدیده های دنیای واقعی مقایسه کردند.

مایک بولان کولچینیک اخترفیزیکدان از دانشگاه تگزاس در آستین، تحقیقاتی در مورد شبیه سازی ماده تاریک و کهکشان ها انجام داده است. این وضعیت را با فردی مقایسه کنید که کلانشهرهای فعلی را فهرست می کند و سپس دیدگاه دقیق تری از تاریخ به هم پیوسته آنها و مسیرهای بین کلان شهرها ایجاد می کند. او می گوید:

برای مثال، فرض کنید تعداد شهرهای بزرگ ایالات متحده را می دانید. اما اگر می‌دانید این شهرها در کجا با یکدیگر مقایسه می‌شوند و جغرافیای آنها را می‌دانید، می‌توانید درباره تاریخ و نحوه شکل‌گیری آنها بیشتر بدانید.

کلچین در مورد تاریخ راه شیری نیز می گوید که ما می خواهیم بدانیم ماده تاریک و کهکشان های دیگر در آن سوی کهکشان چگونه گذشته خود را نشان می دهند. دستیابی به توزیع مشخصی از کهکشان های اطراف چقدر اهمیت دارد؟ برخی از ویژگی های کهکشان راه شیری چقدر مشترک هستند و چقدر با محیطی در مقیاس بزرگتر مرتبط هستند؟ با 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 می کنند. زیرا آنها می توانند ستارگان و کهکشان های این مناطق را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند. اما اخترفیزیکدانان گاهی اوقات در محاسبه متر مربع مجاورت یک کهکشان به نظریه های ماده تاریک مشکل دارند. به عنوان مثال، مدل‌های اولیه پیش‌بینی می‌کردند که کهکشان‌های بیشتری نزدیک به دنیای واقعی وجود دارد که «ماهواره‌های گمشده» نامیده می‌شوند.

توده های ماده تاریک نیروی گرانشی کافی برای جذب گازهای تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها دارند. اما مشکل این است که شبیه‌سازی‌ها جرم‌های بزرگ و چرخشی ماده تاریک را تولید می‌کنند که شبیه ماده تاریک در کهکشان‌های ماهواره‌ای است. اما به نظر می رسد که آنها مشابه واقعی ندارند. به این می گویند “خیلی بزرگ”. زیرا اعتقاد بر این است که حباب های عظیم ماده تاریک آنقدر سنگین هستند که تشکیل کهکشان در قلب آنها غیرممکن است.

چالش سوم از این واقعیت ناشی می شود که کهکشان های ماهواره ای در اطراف راه شیری و آندرومدا احتمالاً در یک صفحه می چرخند 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 جهان و تأثیر آن بر پاسخ های مختلف استفاده می کنند. اگر مدل های ماده تاریک درست باشند، باید راه حلی برای تفاوت پایدار بین مشاهدات گذشته و حال وجود داشته باشد.

شبیه سازی هایی مانند SIBELIUS می تواند به حل این مشکلات کمک کند. موقعیت کهکشان در تاروپود کیهانی ماده تاریک ممکن است 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 ما از سرعت انبساط جهان ممکن است اشتباه باشد. به گفتی پریاموادا نتاراجانکهکشان راه شیری می تواند در مناطق نسبتاً متراکم ماده تاریک یا در ناحیه ای با چگالی کم واقع شود. او اضافه می کند:

نکته جالب در مورد این شبیه سازی این است که می توانیم به این سوالات پاسخ دهیم: آیا موقعیت ما مشترک است یا خاص؟ توزیع ماده در اطراف ما چقدر رایج است؟ روی کوه هستیم یا ته دره؟

به گفتی جنی فونتهنگامی که اخترفیزیکدانان در موسسه اخترفیزیک فضایی 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 Virgo تمرکز دارد، نقش دارد. او می‌گوید: «اگر خوشه‌ها تاریخ یکسانی نداشته باشند یا در یک محیط نباشند، نمی‌توان آنها را مقایسه کرد.

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

در واقع، ما در مناطق کیهانی با کهکشان های کمتر از حد متوسط ​​زندگی می کنیم. اما خوشه‌های کهکشانی زیادی نیز در جهان وجود دارند که تعداد کهکشان‌هایشان بالاتر از حد متوسط ​​است. در نتیجه محل زندگی ما مانند زندگی در یک شهر کم ارتفاع مانند لس آنجلس است که در دوردست کوه هایی دارد.

فرانک و بویلان کولچین معتقدند که اگر کهکشان راه شیری مثال عجیبی باشد، می تواند به توضیح برخی از اسرار ماده تاریک کمک کند. اگر در مناطق پراکنده جهان باشیم، می‌توانیم بفهمیم که چرا معیارهای محلی ما از سرعت انبساط جهان با آنچه از اندازه‌گیری‌های جهان دور انتظار داریم متفاوت است.

همچنین، اگر کهکشان ما در مناطق نامنظم کیهان باشد، می توانیم ترکیب عجیب کهکشان های ماهواره ای را ببینیم. شاید این ماهواره ها به طور خاص در کهکشان راه شیری در مدار باشند. به عبارت دیگر، اگر محیط 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 تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها استفاده کند، می تواند منبع بهتری باشد. بنابراین، کهکشان ها به طور طبیعی در توده های ماده تاریک شکل می گیرند 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 محاسباتی بیشتری در ابر رایانه نیاز دارند. فرانک در حال حاضر از این شبیه سازی ها برای بررسی مشکلات مدل ماده تاریک سرد استفاده می کند. او می‌گوید: «اگر این نظریه اشتباه است، من می‌خواهم آن را ثابت کنم.