12:30 ص
فيزياء البصريات
من المحتمل أن تكون المادة المظلمة هي العنصر الأساسي لتكوين المجرات الأولى في الكون. بعد فترة وجيزة من الانفجار الكبير ، كانت جزيئات المادة المظلمة تتجمع معًا في "هالات" ثقيلة الجاذبية ، تسحب الغاز المحيط بها إلى قلوبها ، والتي تم تبريدها وتكثيفها مع مرور الوقت في المجرات الأولى.
على الرغم من أن المادة المظلمة تعتبر العمود الفقري لهيكل الكون ، إلا أن العلماء لا يعرفون إلا القليل عن طبيعته ، حيث أن الجزيئات قد تهربت حتى الآن من اكتشافها.
لقد اكتشف العلماء الآن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة برينستون وجامعة كامبريدج أن الكون المبكر ، والمجرات الأولى ، كان سيبدو مختلفًا تمامًا اعتمادًا على طبيعة المادة المظلمة. وللمرة الأولى ، قام الفريق بمحاكاة ما سيكون عليه شكل المجرة المبكرة إذا كانت المادة المظلمة "غامضة" بدلاً من البرودة أو الحارة.
في أكثر السيناريوهات المقبولة على نطاق واسع ، تكون المادة المظلمة باردة ، مكونة من جزيئات بطيئة الحركة ، إلى جانب التأثيرات الجاذبية ، ليس لها تفاعل مع المادة العادية. يُعتقد أن المادة المظلمة الدافئة هي نسخة أفتح قليلاً وأسرع من المادة المظلمة الباردة. والمادة المظلمة الغامضة ، مفهوم جديد نسبيًا ، شيء مختلف تمامًا ، يتكون من جزيئات خفيفة ، كل منها حوالي 1 إلى 1 مليون (10-27) من كتلة الإلكترون (جسيم المادة المظلمة الباردة أثقل بكثير - حوالي 105 أضعاف الكتلة إلكترون).
ووجد الباحثون في عمليات محاكاةهم أنه إذا كانت المادة المظلمة باردة ، فستكون المجرات في الكون المبكر قد تشكلت في هالات كروية تقريبًا. ولكن إذا كانت طبيعة المادة المظلمة غامضة أو دافئة ، فسيبدو الكون المبكر مختلفًا تمامًا ، حيث تتشكل المجرات أولاً في خيوط ممتدة تشبه الذيل. في عالم غامض ، كانت هذه الخيوط تبدو مخططة ، مثل الأوتار المضاءة بالنجوم على القيثارة.
عندما تأتي التلسكوبات الجديدة عبر الإنترنت ، مع القدرة على رؤية المزيد من العودة إلى الكون المبكر ، يمكن للعلماء أن يستنتجوا ، من نمط تكوين المجرة ، ما إذا كانت طبيعة المادة المظلمة ، التي تشكل اليوم ما يقرب من 85 في المئة من المادة في الكون ، هو غامض بدلا من البرد أو الحار.
يقول مارك فوغلسبرغر ، أستاذ مشارك في الفيزياء في معهد كافلي لبحوث الفيزياء الفلكية وبحوث الفضاء: "إن المجرات الأولى في الكون المبكر قد تضيء نوع المادة المظلمة التي لدينا اليوم". "إما أن نرى هذا النمط من الشعيرات ، والمادة المظلمة غامضة معقولة ، أو لا ، ويمكننا استبعاد هذا النموذج. لدينا الآن مخططًا لكيفية القيام بذلك."
Vogelsberger مؤلف مشارك في بحث منشور في رسائل المراجعة الفيزيائية ، إلى جانب مؤلف البحث الرئيسي ، فيليب موتش من جامعة برينستون ، وأنستازيا فيالكوف من جامعة كامبريدج ، وجامعة ساسكس سابقًا.
موجات غامضة
على الرغم من أنه لم يتم بعد اكتشاف المادة المظلمة بشكل مباشر ، إلا أن الفرضية التي تصف المادة المظلمة مثل البرد أثبتت نجاحها في وصف البنية الواسعة النطاق للكون القابل للرصد. نتيجة لذلك ، تعتمد نماذج تكوين المجرات على افتراض أن المادة المظلمة باردة.
"المشكلة هي أن هناك بعض التناقضات بين الملاحظات والتنبؤات بالمادة المظلمة الباردة" ، كما يشير فوجلسبيرجر. "على سبيل المثال ، إذا نظرت إلى مجرات صغيرة جدًا ، فإن التوزيع المستنتج للمادة المظلمة داخل هذه المجرات لا يتفق تمامًا مع ما تتنبأ به النماذج النظرية. لذلك هناك توتر هناك."
أدخل ، إذن ، نظريات بديلة للمادة المظلمة ، بما في ذلك الحارة والغامضة ، والتي اقترحها الباحثون في السنوات الأخيرة.
يقول فيالكوف: "طبيعة المادة المظلمة لا تزال لغزا". "إن المادة المظلمة الغامضة تحركها الفيزياء الأساسية ، على سبيل المثال ، نظرية الأوتار ، وبالتالي فهي مرشحة مثيرة للمادة المظلمة. الهياكل الكونية هي مفتاح التحقق من صحة أو استبعاد مثل هذه النماذج المظلمة."
تتكون المادة المظلمة غامضة من جزيئات خفيفة لدرجة أنها تتصرف بطريقة تشبه الموجة ، وليس كجزيئات فردية. هذه الطبيعة الغامضة ، كما يقول موتش ، كان يمكن أن تنتج مجرات مبكرة تبدو مختلفة تمامًا عما تنبئ النماذج القياسية بالمادة المظلمة الباردة.
محاكاة لكيفية تشكيل خيوط (ذيل) المجرة في سيناريوهات المادة المظلمة الباردة والساخنة والغامضة (من اليسار إلى اليمين). الائتمان: جامعات برينستون وكامبردج وساسكس
يقول Mocz: "على الرغم من أن سيناريوهات المادة المظلمة المختلفة في الكون المتأخر قد تتنبأ بأشكال مماثلة للمجرات ، فإن المجرات الأولى ستكون مختلفة بشكل مذهل ، الأمر الذي سيعطينا فكرة عن ماهية المادة المظلمة".
لنرى كيف يمكن أن يكون الكون مبكراً ومختلفاً في وقت مبكر من البرد ، قام الباحثون بمحاكاة مساحة صغيرة ومكعبة للكون المبكر ، بقياس حوالي 3 ملايين سنة ضوئية ، وركضوا إلى الأمام في الوقت المناسب ليروا كيف تتشكل المجرات في ضوء واحدة من سيناريوهات المادة المظلمة الثلاثة: بارد ودافئ وغامض.
بدأ الفريق كل عملية محاكاة بافتراض توزيع معين للمادة المظلمة ، والتي لدى العلماء فكرة ما ، بناءً على قياسات خلفية الميكروويف الكونية - "الإشعاع المتخلف" الذي كانمن قبل ، واكتشفت بعد 400000 سنة فقط ، الانفجار الكبير.
يقول فوجيلسبرغر: "المادة المظلمة ليس لها كثافة ثابتة ، حتى في هذه الأوقات المبكرة". "هناك اضطرابات صغيرة على قمة مجال الكثافة الثابتة."
تمكن الباحثون من استخدام الخوارزميات الموجودة لمحاكاة تكوين المجرة في سيناريوهات المادة المظلمة الباردة والدافئة. ولكن لمحاكاة المادة المظلمة الغامضة ، بطبيعتها الكمومية ، احتاجوا إلى مقاربة جديدة.
خريطة لسلاسل القيثارة
قام الباحثون بتعديل محاكاة المادة المظلمة الباردة ، مما مكنها من حل معادلتين إضافيتين من أجل محاكاة تكوين المجرات في عالم المادة المظلمة غامض. الأولى ، معادلة شرودنجر ، تصف كيف يعمل الجسيم الكمومي كموجة ، بينما تصف الثانية ، معادلة بويسون ، كيف تولد تلك الموجة حقل كثافة ، أو توزيع المادة المظلمة ، وكيف يؤدي هذا التوزيع إلى الجاذبية - القوة التي في النهاية تسحب في المسألة لتشكيل المجرات. ثم اقترنوا هذه المحاكاة بنموذج يصف سلوك الغاز في الكون ، والطريقة التي يتكثف بها في المجرات استجابة لآثار الجاذبية.
في السيناريوهات الثلاثة جميعها ، تشكلت المجرات أينما كانت الكثافة الزائدة ، أو تركيزات كبيرة من المادة المظلمة الجاذبية المنهارة. غير أن نمط هذه المادة المظلمة كان مختلفًا ، اعتمادًا على ما إذا كان الجو باردًا أو دافئًا أو غامضًا.
في سيناريو المادة المظلمة الباردة ، تتشكل المجرات في هالات كروية ، وكذلك رواسب فرعية أصغر. أنتجت المادة المظلمة الدافئة المجرات الأولى في خيوط تشبه الذيل ، ودون سوبالاوس. قد يكون هذا بسبب الطبيعة الفاتحة والأسرع للمادة المظلمة الدافئة ، مما يجعل الجسيمات أقل عرضة للالتفاف حولها في كتل أصغر من الباطن.
على غرار المادة المظلمة الدافئة ، شكلت المادة المظلمة غامضة النجوم على طول خيوط. ولكن بعد ذلك استولت تأثيرات الموجة الكمومية على تشكيل المجرات ، التي شكلت خيوطًا أكثر مخططة ، مثل الأوتار على القيثارة غير المرئية. يقول Vogelsberger إن هذا النمط المخطط بسبب التداخل ، وهو تأثير يحدث عندما تتداخل موجتان. عندما يحدث هذا ، على سبيل المثال في موجات الضوء ، فإن النقاط التي تتماشى فيها قمم ونزول كل موجة مع بقع داكنة ، مما يخلق نمطًا متناوبًا من المناطق المشرقة والمظلمة.
في حالة المادة المظلمة الغامضة ، بدلاً من النقاط المظلمة والمظلمة ، فإنه يولد نمطًا متناوبًا من تركيزات المادة المظلمة شديدة الكثافة وتحت الكثافة.
"سوف تحصل على الكثير من الجاذبية في هذه الكثافة الزائدة ، وسيتبعها الغاز ، وفي وقت ما ستشكل مجرات على طول تلك الكثافة الزائدة ، وليس الكثافات المنخفضة" ، يوضح Vogelsberger. "سيتم تكرار هذه الصورة في جميع أنحاء الكون المبكر."
يقوم الفريق بتطوير تنبؤات أكثر تفصيلاً حول شكل المجرات المبكرة في عالم تهيمن عليه المادة المظلمة الغامضة. هدفهم هو توفير خريطة للتلسكوبات القادمة ، مثل تلسكوب James Webb Space Telescope ، الذي قد يكون قادرًا على النظر بعيدًا بما فيه الكفاية في الوقت المناسب لاكتشاف المجرات الأولى. إذا رأوا مجرات خيطية مثل تلك التي محاكاة من قبل Mocz و Fialkov و Vogelsberger وزملائهم ، فقد تكون هذه أول علامات على أن طبيعة المادة المظلمة غامضة.
يقول فوغسبيرغر: "إنه اختبار رصد يمكن أن نقدمه لطبيعة المادة المظلمة ، استنادًا إلى ملاحظات الكون المبكر ، والتي ستصبح ممكنة في العامين المقبلين".
ليست هناك تعليقات: