دانشمندان نقشه ای از ماده تاریک در اطراف کهکشان راه شیری – Zomit ترسیم کرده اند

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 با سرعت نسبتا پایین اشاره دارد. او و همکارانش قبلاً نظریه ماده تاریک سریع داغ را آزمایش کرده بودند. طبق این نظریه، ماده تاریک از ذراتی مانند نوترینو تشکیل شده است. اما این احتمال به سرعت از بین رفت. در عوض، نظریه ماده تاریک سرد به مدل استاندارد برای اخترفیزیکدانان برای دو دهه تبدیل شده است.

اکنون فرانک، اخترفیزیکدان دانشگاه دورهام در بریتانیا، در تلاش است تا کاستی های 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 و برای فروش این محقق شد که هر دو قبلاً با فرانک در دورهام همکاری کرده بودند.

تحقیقات آنها تنها بر مدلسازی ماده تاریک متمرکز نیست. کهکشان ها نیز بر اساس کهکشان راه شیری و خانه ما در جهان مدل سازی و مدل سازی شده اند. مطالعه آنها ماه گذشته منتشر شد. “این اولین تلاش برای مدل سازی کهکشان ما در جهان با ساختارهای شناخته شده است. “شامل خوشه های کما و خوشه های خوشه.”

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 مهم هستند. این ویژگی ها می تواند بر دیدگاه فیزیکدانان در مورد سرعت انبساط جهان تأثیر بگذارد. فرانک و تیمش امیدوارند که مدلسازی آنها ابزار مفیدی برای پاسخگویی به این سؤالات مهم باشد و اگر آنها نتوانستند به این سؤالات پاسخ دهند، به این معنی است که نظریه های مدرن ماده تاریک مشکل ساز هستند.

تلاش‌های قبلی نظریه‌پردازان، از جمله خود فرانک، بر مدل‌سازی بخش‌های بزرگی از کیهان که فقط از نظر آماری شبیه به دنیای واقعی هستند، محاسبه تعداد کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی، یا تمرکز بر کهکشان راه شیری متمرکز بوده است. اما کهکشان هنوز چیزی برای یادگیری دارد.

ستاره شناسان کهکشان راه شیری را نقشه برداری کردند و کهکشان های ماهواره ای کوچکی مانند ابر ماژلانی بزرگ را مشاهده کردند که مانند ماه به دور راه شیری می چرخند. برای چندین دهه، آنها خوشه های کهکشانی و دیگر اجرام مجاور را طبقه بندی کرده اند. چارلز مسیحادر سال 1781، 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 فضاست و در واقع هدف آن بازسازی جغرافیای محلی کهکشان راه شیری است. مجموعه ای برای مدل سازی سیبلیوس جامع 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 به نوع “اجرای محدود” اشاره دارد. یعنی شبیه سازی این مجموعه و دیگر کهکشان های محلی باید با آنچه در دنیای واقعی می دانیم مطابقت داشته باشد. با نقشه برداری از این داده ها، محققان می خواهند در زمینه وسیع تری ببینند که آیا این منطقه نماینده جهان است یا خیر. در یک جهان ناپایدار، ممکن است کهکشان‌های بیشتر یا کمتر 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.

اکثر فیزیکدانان بر این باورند که تاروپودهای عظیم و پنهان ماده تاریک باعث ادغام ساختارهای کهکشانی می شوند. در برخی از بخش‌های شبیه‌سازی ماده تاریک SIBELIUS بیش از سایرین است. در این شبیه سازی، ماده تاریک به جرم فشرده شده و سپس رشد می کند. فرانک و همکارانش نحوه شکل گیری کهکشان ها و رشد توده ها را شبیه سازی کردند و سپس وقایع این شبیه سازی را با پدیده های دنیای واقعی مقایسه کردند.

مایک بولان کولچینیک اخترفیزیکدان در دانشگاه تگزاس در آستین، تحقیقاتی را در مورد مدل‌سازی ماده تاریک و کهکشان‌ها انجام داد. او این وضعیت را با مردی مقایسه می کند که کلانشهرهای فعلی را فهرست می کند و سپس تصویر 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 مقایسه می‌شوند و جغرافیای آن‌ها را می‌دانید، می‌توانید درباره تاریخ و چگونگی پیدایش آنها اطلاعات بیشتری کسب کنید.

کلچین همچنین درباره تاریخچه کهکشان راه شیری می گوید که می خواهیم بدانیم ماده تاریک و دیگر کهکشان های آن سوی کهکشان چگونه گذشته خود را نشان می دهند. دستیابی به توزیع دقیق کهکشان های اطراف چقدر اهمیت دارد؟ برخی از ویژگی های کهکشان راه شیری چقدر مشترک هستند و چقدر برای محیط بزرگتر مرتبط هستند؟ با کمک 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 نزدیکی کهکشان به نظریه های ماده تاریک مشکل دارند. برای مثال، مدل‌های اولیه پیش‌بینی می‌کردند که کهکشان‌های نزدیک بیشتری در دنیای واقعی وجود دارند که «ماهواره‌های گمشده» نامیده می‌شوند.

توده های ماده تاریک نیروی گرانشی کافی برای جمع آوری گازهای تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها دارند. اما مشکل این است که شبیه سازی توده های چرخان بزرگی از ماده تاریک تولید می کند که شبیه ماده تاریک کهکشان های ماهواره ای است. اما به نظر می رسد که آنها هیچ مشابهی در دنیای واقعی ندارند. به این می گویند “خیلی بزرگ”. زیرا حباب های عظیم ماده تاریک آنقدر سنگین در نظر گرفته می شوند که تشکیل کهکشان در قلب آنها غیرممکن است.

مشکل سوم این است که کهکشان های اقماری اطراف راه شیری و آندرومدا احتمالاً در یک صفحه می چرخند و گسترده 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 واکنش های مختلف استفاده می کنند. اگر مدل های ماده تاریک درست باشد، باید راه حلی برای تفاوت بلندمدت بین مشاهدات گذشته و حال وجود داشته باشد.

شبیه سازهایی مانند SIBELIUS می توانند به حل این مشکلات کمک کنند. موقعیت کهکشان در تاروپود کیهانی ماده تاریک می تواند بر اندازه گیری سرعت انبساط کیهان تأثیر بگذارد. در نتیجه این سوال پیش می آید که اگر مجرای شیر در یکی از حفره های این بافت تاروت باشد چه؟ شاید کهکشان راه شیری مانند روستایی بین 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. رفتار – اخلاق پریاموادا نتاراجانکهکشان راه شیری می تواند در مناطق نسبتاً متراکم ماده تاریک یا در مناطق با چگالی کم قرار گیرد. او اضافه می کند:

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

رفتار – اخلاق منبع جنیهنگامی که اخترفیزیکدانان موسسه فضایی Astrophysique در اورسی، فرانسه، کهکشان های مشاهده شده را با آنچه در شبیه سازی می بینیم مقایسه می کنند، باید یک سیب را با یک سیب مقایسه کنیم. این منبع در توسعه مدل مشابهی به نام CLONE نقش دارد که بر کهکشان های صورت فلکی سنبله متمرکز است. او می‌گوید: «اگر خوشه‌ها تاریخ یکسانی نداشته باشند یا در یک محیط باشند، نمی‌توان آنها را مقایسه کرد.

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

در واقع، ما در مناطق فضایی با تعداد کهکشان‌های کمتر از میانگین زندگی می‌کنیم. اما خوشه های کهکشانی زیادی نیز در جهان وجود دارند که تعداد آنها بالاتر از حد متوسط ​​است. در نتیجه، زیستگاه ما به نظر می رسد که در شهری کم ارتفاع مانند لس آنجلس، دور از رشته کوه ها زندگی می کنیم.

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

علاوه بر این، اگر کهکشان ما در مناطق اشتباهی از کیهان واقع شده باشد، می توانیم ترکیب عجیبی از کهکشان های ماهواره ای را مشاهده کنیم. این احتمال وجود دارد که این ماهواره ها به طور خاص به دور کهکشان راه شیری می چرخند. به عبارت دیگر، اگر محیط عجیبی در اطراف کهکشان راه شیری وجود داشته باشد; یعنی نظریه ماده تاریک اکنون در برابر این مشکلات مقاومت می کند.

با وجود تمام فرضیه ها، مدل سازی SIBELIUS هنوز جای پیشرفت دارد. به علاوه، اگر مدل تشکیل کهکشان از متغیرهای مایع برای ردیابی ابرهای گازی که ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل می‌دهند استفاده کند، این ممکن است بهترین منبع باشد. بنابراین، کهکشان ها به طور طبیعی در توده های ماده تاریک شکل می گیرند که ممکن است 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. فرانک در حال حاضر از این شبیه‌سازی‌ها برای مطالعه مسائل مربوط به مدل ماده تاریک سرد استفاده می‌کند. او گفت: «اگر این نظریه اشتباه است، من می‌خواهم آن را ثابت کنم.