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

کارلوس فرانک او در دهه 1980 و 1990 روی مجموعه ای از نظریه های ماده تاریک سرد اولیه 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 تشکیل شده است. با این حال، این احتمال به زودی از بین رفت. در عوض، نظریه ماده تاریک سرد مدل استاندارد برای اخترفیزیکدانان برای دو دهه بوده است.

فرانک که اکنون یک اخترفیزیکدان در دانشگاه دورهام در بریتانیا است، در تلاش است تا نواقص نظریه ماده تاریک سرد را دوباره کشف کند. با شبیه سازی جدید خود، او امیدوار است به سوالات تئوری بی پاسخ پاسخ دهد. او می گوید: «علم اینگونه 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 شبیه سازی فراتر از دنیای محلی یا SIBELIUS نام دارد، استوارت مک آلپاین و تیل ساوالا مشخص شد که هر دو قبلا در دورهام با فرانک همکاری 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 با ساختارهایی است که می شناسیم، از جمله خوشه های کما و خوشه های سیخ دار.”

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 می تواند بر دیدگاه فیزیکدانان در مورد سرعت انبساط جهان تأثیر بگذارد. فرانک و تیمش امیدوارند شبیه‌سازی‌هایشان ابزار مفیدی برای حل این سؤالات مهم باشد و اگر نتوانند به این سؤالات پاسخ دهند، به این معنی است که نظریه‌های ماده تاریک فعلی مملو از مشکلات هستند.

تلاش‌های گذشته نظریه‌پردازان، از جمله خود فرانک، به شبیه‌سازی بخش‌های بزرگی از جهان که از نظر آماری شبیه به دنیای واقعی هستند، محاسبه تعداد کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی یا تمرکز بر کهکشان راه شیری اختصاص داشت. اما هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری از سراسر 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 به روشی مشابه به ماه در مدار راه شیری می چرخند. آنها چندین دهه است که خوشه های کهکشانی و دیگر اجرام مجاور را طبقه بندی می کنند. چارلز مسیحدر 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. از آنجایی که مبتنی بر مشاهدات تأثیرگذار نزدیکی کیهانی است و در واقع هدف آن بازسازی جغرافیای محلی کهکشان راه شیری است. مجموعه شبیه سازی سیبلیوس می تواند فضای سه بعدی را شبیه سازی کند، فضایی که گسترده است و از یک طرف به 3.3 میلیارد سال نوری می رسد. در این جهان مجازی کهکشان راه شیری در مرکز جهان و کهکشان آندرومدا در مجاورت آن قرار دارد.

SIBELİUS از نوع “کاربرد محدود” است. یعنی شبیه‌سازی‌های این خوشه و دیگر کهکشان‌های محلی باید با آنچه در دنیای واقعی می‌دانیم سازگار باشد. با نقشه برداری از این داده ها، محققان می خواهند در یک زمینه بزرگتر ببینند که آیا این منطقه نشان دهنده کل جهان است یا قانون خاصی دارد. در یک جهان نامنظم، ممکن است کهکشان‌های بیشتر یا کمتر از حد انتظار در اطراف وجود داشته باشد.

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

اکثر فیزیکدانان بر این باورند که تاروپودهای عظیم و پنهان ماده تاریک باعث ادغام ساختارهای کهکشانی می شود. برخی از بخش های شبیه سازی SIBELIUS ماده تاریک بیشتری نسبت به بقیه دارند. در این شبیه سازی، ماده تاریک به صورت جرم کوچک شده و سپس رشد می کند. فرانک و همکارانش نحوه شکل گیری کهکشان ها و چگونگی رشد توده ها را مدل کردند و سپس رویدادهای این شبیه سازی را با پدیده های دنیای واقعی مقایسه کردند.

مایک بولان کولچیناخترفیزیکدان از دانشگاه تگزاس در آستین تحقیقاتی در مورد شبیه سازی ماده تاریک و کهکشان ها انجام داده است. او این را به شخصی تشبیه می‌کند که کلان‌شهرهای موجود را فهرست می‌کند و سپس دید دقیق‌تری از تاریخچه‌های به هم پیوسته آنها و مسیرهای بین آنها ایجاد می‌کند. می گوید:

برای مثال، فرض کنید تعداد شهرهای بزرگ ایالات متحده را می دانید. با این حال، اگر مکان ها و جغرافیایی که این شهرها با یکدیگر مقایسه می شوند را بشناسید، بهتر می توانید با تاریخچه و نحوه شکل گیری آنها آشنا شوید.

کلچین می گوید ما همچنین می خواهیم درباره تاریخچه کهکشان راه شیری بدانیم که چگونه تاریخ ماده تاریک و دیگر کهکشان ها را در آن سوی راه شیری نشان می دهد. چقدر مهم است که توزیع دقیق کهکشان های اطراف را بدست آوریم؟ برخی از ویژگی‌های 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 منطقه زمین متمرکز می کنند. از آنجایی که آنها می توانند ستارگان و کهکشان های این مناطق را با جزئیات بیشتری بررسی کنند. اما اخترفیزیکدانان گاهی اوقات در محاسبه فوت مربع مجاورت یک کهکشان به نظریه های ماده تاریک مشکل دارند. برای مثال، مدل‌های اولیه پیش‌بینی می‌کردند که در دنیای واقعی کهکشان‌های نزدیک‌تر به نام «قمرهای گمشده» وجود دارند.

توده های ماده تاریک جاذبه کافی برای جمع آوری گازهای تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها را دارند. با این حال، مشکل این است که شبیه‌سازی‌ها توده‌های بزرگ و چرخشی از ماده تاریک را تولید می‌کنند که شبیه ماده تاریک کهکشان‌های ماهواره‌ای است. اما به نظر نمی رسد که مشابه دنیای واقعی داشته باشد. به این می گویند “خیلی بزرگ”. به این دلیل که تصور می شود حباب های غول پیکر ماده تاریک آنقدر سنگین هستند که تشکیل کهکشان در قلب آنها غیرممکن است.

مشکل سوم از این واقعیت ناشی می شود که کهکشان های اقماری اطراف کهکشان راه شیری و آندرومدا احتمالاً در یک صفحه در حال چرخش 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 در تلاش برای حل آنها هستند. ستاره شناسان از انفجارهای ابرنواختر نزدیک و سایر پدیده های محلی برای اندازه گیری نرخ انبساط جهان و تأثیر آن بر پاسخ های مختلف استفاده می کنند. اگر مدل‌های ماده تاریک درست باشند، تفاوت پایدار بین مشاهدات گذشته و حال باید راه‌حلی داشته باشد.

شبیه سازی هایی مانند SIBELİUS می تواند به حل این مشکلات کمک کند. موقعیت کهکشان در تاروپود کیهانی ماده تاریک ممکن است بر اندازه گیری نرخ انبساط کیهان تأثیر بگذارد. در نتیجه اگر مجرای شیر در یکی از فضاهای این بافت تارو باشد چه؟ شاید کهکشان راه شیری مانند روستایی در میان کلان شهرهای تاریک باشد.

اگر بخشی از جهان که در آن قرار داریم واقعاً نمایانگر کل نباشد، اندازه‌گیری‌های ما از نرخ انبساط جهان ممکن است نادرست باشد. به گفتی پریاموادا نتاراجانکهکشان راه شیری می تواند در نواحی نسبتاً متراکم ماده تاریک یا ناحیه ای با چگالی کم قرار گیرد. او اضافه می کند:

نکته جالب در مورد این شبیه سازی این است که می توانیم به این سؤالات پاسخ دهیم: آیا موقعیت مکانی ما به اشتراک گذاشته شده است یا خصوصی؟ توزیع ماده در محیط ما چقدر گسترده است؟ روی کوه هستیم یا ته دره؟

به گفتی منبع جنیاخترفیزیکدانان مؤسسه اخترفیزیک فضایی در اورسی، فرانسه می‌گویند، هنگام مقایسه کهکشان‌های مشاهده‌شده با آنچه در شبیه‌سازی‌ها می‌بینیم، باید سیب‌ها را با سیب مقایسه کنیم. منبع در طراحی شبیه‌سازی مشابهی به نام CLONE که بر کهکشان‌های صورت فلکی سنبله متمرکز است، نقش دارد. او می گوید: «اگر خوشه ها پیشینه یکسانی نداشته باشند یا در یک محیط نباشند، نمی توان آنها را با هم مقایسه کرد.

فرانک و تیمش چند آزمایش اولیه با کامپیوترهای با وضوح پایین انجام دادند. اما زمان محدود به استفاده از ابررایانه هایی مانند تلسکوپ است. آنها این فرصت را داشتند که شبیه سازی های خود را فقط یک بار 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 کهکشان های کمتر از حد متوسط ​​زندگی می کنیم. اما خوشه‌های کهکشانی زیادی نیز در جهان وجود دارند که تعداد کهکشان‌هایشان بیش از حد متوسط ​​است. در نتیجه محل زندگی ما مانند زندگی در شهری کم ارتفاع با رشته کوه های دوردست مانند لس آنجلس است.

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

همچنین اگر کهکشان ما در نواحی نامنظم کیهان واقع شده باشد، می توانیم ترکیب عجیب کهکشان های ماهواره ای را ببینیم. شاید این ماهواره ها به طور خاص در کهکشان راه شیری در حال چرخش هستند. بنابراین اگر محیط عجیبی در اطراف کهکشان راه شیری وجود دارد; بنابراین، نظریه ماده تاریک در حال حاضر در حال بهبود از این مشکلات است.

با وجود تمام فرضیه ها، شبیه سازی SIBELIUS هنوز جای پیشرفت دارد. همچنین، یک مدل تشکیل کهکشان می تواند منبع بهتری باشد اگر از متغیرهای سیال برای ردیابی ابرهای گازی تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها استفاده کند. بنابراین کهکشان ها به طور طبیعی در توده های ماده تاریک شکل می گیرند و این می تواند برای مطالعه 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. در حال حاضر، فرانک از این شبیه‌سازی‌ها برای بررسی مشکلات مدل ماده تاریک سرد استفاده می‌کند. او می‌گوید: «اگر این نظریه اشتباه است، من می‌خواهم آن را ثابت کنم.