في أبريل تم تحميل الورق إلى خادم ما قبل الطباعة arXiv.org وتقديمها إلى الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية ، قامت مجموعة من المنظرين بمحاكاة كيف ستبدو المجرات البدائية إذا تشكلت داخل السحب لثلاثة أنواع مختلفة من المادة المظلمة البديلة: المادة المظلمة “الدافئة” ، والمادة المظلمة “الضبابية” و “تفاعل” المادة المظلمة مع التذبذبات الصوتية. من خلال مقارنتها بمحاكاة مجرات المادة المظلمة الباردة ، اكتشف الباحثون اختلافات هيكلية وكيميائية غريبة ، وتعديلات مجرية قد يتمكن تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) من رؤيتها.
قال “إنه قدر مثير للإعجاب للغاية من العمل” إيثان نادلر، زميل ما بعد الدكتوراه في مراصد كارنيجي وجامعة جنوب كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، التي لم تشارك في المشروع. “الشيء الرائع بالنسبة لي هو رؤية نماذج مختلفة من المادة المظلمة يتم استكشافها جميعًا في وقت واحد.”
في سبعينيات القرن الماضي ، من خلال عملها الدقيق في قياس معدلات دوران المجرات ، أظهرت عالمة الفلك فيرا روبين أنه في غياب الجاذبية “الإضافية” التي يمكن أن تأتي من مادة غامضة وغير مرئية ، فإن معظم المجرات لن تبقى ملتصقة ببعضها البعض. اشتبه الكثيرون في أن مجرات الكون كانت جالسة داخل غيوم عملاقة من المادة المظلمة ، تسمى “الهالات” ، مرات عديدة أكبر من المجرات أنفسهم. يعتقد معظم علماء الفلك الآن أن 84 في المائة من مادة الكون المذهلة تتكون من هذه الأشياء غير المرئية. منذ ذلك الحين ، عمل العلماء بجد لكشفه – ولكن دون جدوى.
“على نطاقات أكبر ، كل شيء يتفق مع [cold dark matter]يقول روميل ديف ، عالم الفلك بجامعة إدنبرة في اسكتلندا ، والذي لم يشارك في البحث. “لكن الأسئلة تظهر عندما تبدأ في الانتقال إلى مقاييس صغيرة جدًا.”
“الصغيرة” هنا نسبي ، بالطبع: المحاكاة يمكن أن تكرر عناقيد المجرات العملاقة وغيرها من الهياكل الكونية الكبيرة بإخلاص مذهل ، ولكن على المقاييس الأصغر للمجرات الفردية ، فإن التناقضات المحيرة تتحدى نموذج المادة المظلمة الباردة. على سبيل المثال ، قد لا تكون قصة الأصل بهذه البساطة بالنسبة لمجرات قزم الأقمار الصناعية ، المجرات الصغيرة التي تدور حول مجرات أكبر ، تمامًا مثل القمر الذي يدور حول الأرض. على مدى عقود من البحث ، وجد المراقبون عمومًا عددًا أقل من المجرات القزمة التابعة للأقمار الصناعية مما توقعه النظريون ، مما أدى إلى نشوء غبار فلكي يسمى “أزمة صغيرة النطاق”.
أدخل المادة المظلمة البديلة.
يقول ديف: “يحب علماء الكونيات اختراع الأزمات ، لكن هذا أساسًا هو نشأة فكرة هذه الورقة ، لمحاولة فهم تأثير حلول المادة المظلمة البديلة على أزمة النطاق الصغير. وهو شيء يمكننا اختباره “.
كانت المادة المظلمة البديلة هي الحل الأصلي للأزمة صغيرة النطاق لأنها يمكن أن تمنع المادة الغامضة من التركيز لتشكيل هياكل “دقيقة” أصغر حجمًا يمكن أن تتجمع عليها المجرات الساتلية وغيرها من الأجسام الكونية الصغيرة نسبيًا. اتضح أن تعديل المادة المظلمة الباردة بهذه الطريقة حل العديد من المفارقات. إجمالاً ، درست المجموعة ثلاثة أنواع من المادة المظلمة البديلة: المادة المظلمة الدافئة ، المادة المظلمة الضبابية وتفاعل المادة المظلمة مع التذبذبات الصوتية.
المادة المظلمة الباردة خاملة. يتحرك ببطء. بفضل هذا التباطؤ ، فإن المادة المظلمة الباردة تتواجد ببساطة حولها ، ولا تفعل الكثير على الإطلاق بخلاف جذب وتركيز المادة في المجرات والعناقيد المجرية. على الطرف الآخر من الطيف ، مادة مظلمة ساخنة يتحرك بسرعات نسبية ، مما يجعله غير قادر على جمع أي شيء. تقع المادة المظلمة الدافئة في منتصف هذه الحدود القصوى ، ومن المحتمل أن تعرض نطاقًا واسعًا من السرعات. اختار الفريق بارامترات المادة المظلمة الدافئة التي تسمح للهالات بتجميع المجرات بسرعة كافية لإعاقة تشكيل هياكل أصغر حجمًا.
المادة المظلمة الضبابية (المعروفة أيضًا باسم مادة مظلمة خفيفة) يشبه المادة المظلمة الباردة من حيث السرعة ، باستثناء كتلة كل جسيم صغيرة جدًا لدرجة أن التأثيرات الكمومية تصبح مهمة – مما يمنحها جودة رائعة تشبه الموجة. يؤدي الضغط الإضافي على المادة المظلمة من التأثير الكمومي أيضًا إلى تثبيط الهياكل الدقيقة في المادة المظلمة ، مما يؤدي إلى ظهور مظهر غامض.
المادة المظلمة ذات التذبذب الصوتي دقيقة بشكل خاص. هذا الشكل من المادة المظلمة قادر على التفاعل مع “الإشعاع المظلم” ، الذي يعمل كحامل للقوة بين جسيمات المادة المظلمة ، مما يخلق ضغطًا خارجيًا على المادة المظلمة. يؤدي شد الجاذبية ودفع الضغط إلى أنماط كثافة تشبه الموجة في “بلازما داكنة” مائعة. موجات الكثافة هذه ، في الحجم تحت المجري ، هي في حد ذاتها شكل من أشكال المادة المظلمة. أقرب تشبيه هو الموجات الصوتية التي تنتقل في سائل. تعمل التذبذبات الصوتية أيضًا على منع الميزات الكثيفة.
سأل جاكوب شين ، طالب دراسات عليا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وجوش بورو ، باحث ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومؤلفوهم المشاركون ، كيف تبدأ مجرات الكون المبكر المولودة داخل هالات المادة المظلمة البديلة ، وماذا يحدث أثناء نموهم؟
يقول ديف: “إنها دراسة تجريبية ولكنها مثيرة جدًا للاهتمام”.
استقرت المجموعة على فترة زمنية تبدأ بحوالي مليار سنة بعد الانفجار الأعظم ، عندما ظهرت أولى البنى الكونية للكون – وهي حقبة اعتقدت المجموعة أنها ستكون أفضل فرصة للعثور على الاختلافات البارزة. بدءًا من هذه النقطة ، قام الباحثون بمحاكاة تشكيل مجرات قزمة بدائية خافتة.
يوضح نادلر: “الدافع وراء النظر إلى المجرات القزمة هو أنها تعيش في أصغر هالات المادة المظلمة”. “يجب أن تنعكس التغييرات بسهولة في المجرات القزمة التي تعيش في تلك الهالات الصغيرة.”
لتشغيل عمليات المحاكاة الخاصة بهم ، استخدم الباحثون رمزًا يسمى AREPO والنماذج IllustrisTNG و THESAN. يقسم البرنامج الفضاء الافتراضي إلى فسيفساء صغيرة ثلاثية الأبعاد قادرة على الحركة والتشويه ، وهو أسلوب سمح للمجموعة بالتتبع الدقيق لفيزياء الغاز والمادة المظلمة البدائية في المناطق التي تتطلب ذلك – والتستر على المناطق التي لا تتطلب ذلك.
بعد حوالي مليوني ساعة من وحدة المعالجة المركزية ، كشفت عمليات المحاكاة عن هياكل وتركيبات فريدة.
كما هو متوقع ، تتمتع المادة المظلمة الباردة بطيئة الحركة بالخصائص المناسبة للسماح بتكوين الهياكل الكثيفة ، بينما في سيناريوهات المادة المظلمة البديلة ، تم قمع هذه السمات الدقيقة. تحتوي المادة المظلمة ذات التذبذب الصوتي على الهياكل الأكثر تفصيلاً ، تليها المادة المظلمة الدافئة. أنتج نموذج المادة المظلمة الضبابية هياكل المادة المظلمة الأقل تفصيلاً والأكثر ضبابية.
كشفت عمليات المحاكاة أيضًا عن اكتشاف جديد: علاقة بين أنواع المادة المظلمة البديلة والانفجارات النجمية ، وهي فترات من تكوين النجوم السريع للغاية داخل المجرة. دخلت مجرات المادة المظلمة البديلة فترات انفجارها النجمي في أوقات متأخرة عن المجرات المبنية حول المادة المظلمة الباردة. لكن تلك الانفجارات النجمية اللاحقة لم ينتج عنها مجرات متناثرة بالنجوم – فكل مجرات المادة المظلمة البديلة المتأخرة تتفتح في نهاية المطاف مع إنتاج النجوم. حتى أن البعض شهد في نهاية المطاف ارتفاعًا في معدلات تكوين النجوم: تلك التي تشكلت عن طريق المادة المظلمة الضبابية أظهرت انفجارات نجمية متأخرة ولكن كبيرة ، مما أدى إلى زيادة عدد النجوم بثلاثة إلى أربعة أضعاف عما هو متوقع من المادة المظلمة الباردة.
إن التأخير في الانفجارات النجمية المجرية له تأثير غير مباشر ، أي التأخير المقابل في اندلاع المستعرات الأعظمية التي تثري المجرات بالعناصر الثقيلة. لذلك شكلت هالات المادة المظلمة البديلة المختلفة مجرات قزمة صغيرة ذات وفرة منخفضة من العناصر الثقيلة. ومع استمرار مرور الوقت في عمليات المحاكاة ، اندلعت الانفجارات النجمية المتأخرة في قلب النجوم الغنية بالمعادن والتي كانت محاطة بنجوم تحتوي على نسبة معدنية أقل ، مقارنةً بالمادة المظلمة الباردة.
على الرغم من وجود طرق أخرى محتملة للمادة المظلمة الباردة لإنهاء الأزمة صغيرة النطاق ، مثل النمذجة الأفضل لآليات ردود الفعل المختلفة لنحت المجرات ، إلا أن إحدى جاذبية دراسة نماذج المادة المظلمة البديلة هي إمكانية العثور على ظواهر جديدة يمكن اختبارها بالملاحظة. .
في هذه الحالة المحددة ، قد يكون JWST على مستوى مهمة البحث عن بعض المجرات القزمة الأولى في الكون ودراستها ، وإجراء مقارنات بين التنبؤات القائمة على النموذج لحجمها وشكلها وتركيبها الكيميائي للكشف عن نكهة المادة المظلمة التي تسود بالفعل. المفتاح هو ربط JWST بالتلسكوبات الكونية الأكبر بكثير والتي تسمى عدسات الجاذبية. على الرغم من اسمها الرائع ، فهذه مجرد عناقيد مجرية ضخمة جدًا لدرجة أن الزمكان المشوه الكتلة من حولها يضخم الضوء من أجسام الخلفية. باستخدام JWST للبحث من خلال عدسات جاذبية مناسبة تتماشى لحسن الحظ مع مجرات خلفية بعيدة من الكون المبكر ، يمكن لعلماء الفلك أن يلمحوا التوهج من مجرات ساتلية صغيرة بدائية – ومع ذلك ، يسلطون الضوء على الشكل الحقيقي للمادة المظلمة الذي لا يزال غامضًا.
عن المؤلفين)
ليندي تشيو هو عالم وكاتب علمي ومؤسس ZeroDivZero، موقع ويب مؤتمر علمي. ظهرت كتاباتها أيضًا في سكاي وتلسكوب. تابعها على تويتر تضمين التغريدة