دانشمندان نقشه تاروپود ماده تاریک اطراف راه شیری را تهیه کردند

کارلوس فِرَنک در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ روی مجموعه‌ای از اولین نظریه‌های ماده تاریک سرد کار می‌کرد. او تصور می‌کرد این نظریه چندان دوام نمی‌آورد. در اینجا، «سرد» به ذرات نامرئی با سرعت نسبتاً کم اشاره می‌کند. او و همکارانش قبلا نظریه‌ی ماده تاریک داغ و سریع را آزمایش کرده بودند. براساس این نظریه ماده تاریک از ذراتی مانند نوترینو ساخته شده است؛ اما این احتمال هم به‌سرعت حذف شد. درعوض، نظریه‌ی ماده تاریک سرد به‌مدت دو دهه به مدل استاندارد اخترفیزیک‌دان‌ها تبدیل شد.

حالا فِرَنک، اخترفیزیک‌دان دانشگاه دورهام بریتانیا، تلاش می‌کند خطاهای موجود در نظریه‌ی ماده تاریک سرد را مجدداً شناسایی کند. او امیدوار است با شبیه‌سازی جدیدش پرسش‌های بی‌پاسخ در زمینه‌ی تئوری را پاسخ دهد. او می‌‌گوید: «علم به این صورت کار می‌کند. یکی از آرزوهای امروز من رد نظریه‌ای است که در گذشته روی آن کار کردم.»

فِرَنک و همکارانش در دانشگاه دورهام و هلسینکی فنلاند به‌تازگی اولین بخش از شبیه‌سازی کامپیوتری جهان ماده تاریک را کامل کرده‌اند. این پروژه که شبیه‌سازی آن سوی جهان محلی یا SIBELIUS نامیده می‌شود، به رهبری استوارت مک‌آلپاین و تیل ساوالا اجرا شده است که هر دو در گذشته با فِرَنک در دورهام همکاری کرده‌ بودند.

پژوهش آنان فقط شامل شبیه‌سازی ماده تاریک نیست؛ بلکه کهکشان‌ها را نیز مدل‌سازی و تصویری سه‌بعدی و دقیق از کهکشان راه شیری و خانه‌‌مان در جهان ایجاد کرده‌اند. پژوهش آن‌ها ماه گذشته منتشر شد. فِرَنک با اشاره به توده‌های عظیم کهکشانی می‌گوید: «این اولین تلاش برای شبیه‌سازی کهکشانمان در جهان محسوب می‌شود که با ساختارهایی که می‌شناسیم، همراه است؛ از‌جمله خوشه‌ی کما و خوشه‌ی سنبله.»

شاخصه‌های کیهانی که ده‌هامیلیون سال نوری یا بیشتر با زمین فاصله دارند، برای درک ادغام و تکامل کهکشان راه شیری در طول میلیاردها سال ضروری هستند. این شاخصه‌ها می‌توانند بر دیدگاه فیزیک‌دان‌ها درباره‌ی سرعت انبساط جهان تأثیر بگذارند. فِرَنک و تیم او امیدوار‌‌‌ند شبیه‌سازی‌هایشان ابزار مفیدی برای حل این پرسش‌های مهم باشند و اگر نتوانند به این پرسش‌ها پاسخ دهند، بدین‌معنی است که نظریه‌های فعلی ماده تاریک با مشکلاتی همراه هستند.

تلاش‌های گذشته‌ی نظریه‌پردازان، از‌جمله خود فِرَنک به شبیه‌سازی بخش عظیمی از جهان اختصاص داشتند که تنها ازنظر آماری به جهان واقعی شبیه بودند و تعداد کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را محاسبه می‌کردند یا متمرکز بر کهکشان راه شیری بودند؛ اما هنوز نکات زیادی برای یادگرفتن از اطراف کهکشان وجود دارد.

ستاره‌شناسان نقشه‌ای از اطراف راه شیری را تهیه و کهکشان‌های ماهواره‌ای کوچک مثل ابر ماژلانی بزرگ را رصد کرند که مشابه مدار ماه به زمین به دور راه شیری می‌چرخد. آنان به مدت ده‌ها سال خوشه‌های کهکشانی و دیگر اجرام همسایه‌ی آن را دسته‌بندی کردند. چارلز مسیه، ستاره‌شناس فرانسوی، در سال ۱۷۸۱ برای اولین بار خوشه‌ی ویرگو (سنبله) را در صورت فلکی به همین اسم کشف کرد.

SIBELIUS مجموعه‌ی پیچیده‌تری است؛ زیرا براساس مشاهدات مؤثر مجاورت کیهانی ساخته شده است و درواقع، هدف آن بازسازی جغرافیای محلی کهکشان راه شیری است. مجموعه‌ی شبیه‌سازی SIBELIUS جامع است و می‌تواند فضای سه‌بعدی را شبیه‌سازی کند که یک سمت آن به ۳/۳ میلیارد سال نوری می‌رسد. در این کیهان مجازی، راه شیری در مرکز جهان و کهکشان آندرومدا در مجاورت آن قرار دارد.

SIBELIUS از نوع «پیاده‌سازی محدود» است؛ یعنی شبیه‌سازی‌های این مجموعه و دیگر کهکشان‌های محلی باید منطبق با دانسته‌هایمان در جهان واقعی باشند. پژوهشگران می‌خواهند با نقشه‌برداری از این داده‌ها، در زمینه‌ای وسیع‌تر ببینند که این منطقه نماینده‌ی کل جهان است یا قاعده‌ی مشخصی ندارد. در جهان بی‌قاعده، ممکن است تعداد بیشتر یا کمتر از میانگین موردانتظار، کهکشان در محیط اطراف وجود داشته باشند.

در مرکز شبیه‌سازی، کهکشان راه شیری و نزدیک‌ترین همسایه‌ی آن، کهکشان آندرومدا (M3) قرار دارند.

اغلب فیزیک‌دانان معتقدند تاروپودهای عظیم و مخفی ماده تاریک عامل کنارهم قرارگرفتن ساختارهای کهکشانی هستند. در برخی نقاط شبیه‌سازی SIBELIUS، ماده تاریک بیشتری از نقاط دیگر وجود دارد. در این شبیه‌سازی، ماده تاریک به‌صورت توده‌هایی جمع می‌شوند و سپس رشد می‌کنند. فِرَنک و همکارانش چگونگی تشکیل کهکشان‌ها و رشد توده‌ها را مدل‌سازی و سپس اتفاقات این شبیه‌سازی را با پدیده‌های جهان واقعی مقایسه کردند.

مایک بولان کولچین، اخترفیزیک‌دان دانشگاه آستین تگزاس، پژوهشی در زمینه‌ی شبیه‌سازی ماده تاریک و کهکشان‌ها انجام داده است. وی این موقعیت را به شخصی تشبیه می‌کند که کلان‌شهرهای کنونی را می‌شمارد و سپس چشم‌انداز دقیق‌تری از تاریخ به‌هم‌پیوسته‌ی آن‌ها و جاده‌های بین کلان‌شهرها توسعه می‌دهد. او می‌گوید:

برای مثال، فرض کنید تعداد شهرهای بزرگ ایالات متحده‌ی آمریکا را بدانید؛ اما اگر بدانید این شهرها درمقایسه‌با یکدیگر در چه نقطه‌ای قرار دارند و جغرافیای آن‌ها را بشناسید، می‌توانید نکات بیشتری درباره‌ی تاریخ و چگونگی شکل‌گیری آن‌ها یاد بگیرید.

کولچین درباره‌ی تاریخچه‌ی کیهان کهکشان راه شیری هم می‌گوید که می‌خواهیم بدانیم ماده تاریک و دیگر کهکشان‌ها چگونه در آن سوی راه شیری گذشته‌ی آن را نشان می‌دهند؟ دستیابی به توزیع مشخصی از کهکشان‌های اطراف چقدر اهمیت دارد؟ ویژگی‌های مشخص راه شیری چقدر متداول هستند و چقدر به محیطی در مقیاس بزرگ‌تر ربط دارند؟ تمام این پرسش‌ها را می‌توان با این شبیه‌سازی‌ها پاسخ داد.

ستاره‌شناسان تلسکوپ‌های خود را روی نزدیک‌ترین بخش جهان متمرکز می‌کنند؛ زیرا می‌توانند ستاره‌ها و کهکشان‌های این مناطق را با جزئیات بیشتری بررسی کنند؛ اما اخترفیزیک‌دانان گاهی در محاسبه‌ی مربع جمعیت مجاورت کهکشانی با نظریه‌های ماده تاریک دچار مشکل می‌شوند. برای مثال، مدل‌های اولیه پیش‌بینی می‌کنند کهکشان‌های مجاور بیشتری در جهان واقعی وجود دارند که به این مسئله «ماهواره‌های مفقود» گفته می‌شود.

توده‌های ماده تاریک از کشش گرانشی کافی برای جمع‌آوری گازهای تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ها و کهکشان‌ها برخوردار‌‌ند. باوجوداین، مشکل این‌‌جا است که شبیه‌سازی‌ها به تولید توده‌های ماده تاریک چرخان و بزرگی می‌انجامند که به ماده تاریک کهکشان‌های ماهواره‌ای شباهت دارند؛ اما به‌نظر نمی‌رسد همتای جهان واقعی داشته باشند. این مسئله «بیش‌از‌حد بزرگ» نامیده می‌شود؛ زیرا تصور می‌شود حباب‌های عظیم ماده تاریک به‌قدری سنگین هستند که ممکن نیست کهکشانی در دل آن‌ها شکل بگیرد.

چالش سوم از این حقیقت سرچشمه می‌گیرد که کهکشان‌های ماهواره‌ای اطراف راه شیری و آندرومدا احتمالاً روی یک صفحه می‌چرخند و همه‌جا توزیع نشده‌اند؛ یعنی آن چیزی که فیزیک‌‌دانان ماده تاریک پیش‌بینی کرده بودند. به‌طورکلی، مسائل کیهان‌شناسی دیگری هم وجود دارند که فِرَنک و همکارانش به‌دنبال حل آن‌ها هستند. ستاره‌شناسان از انفجارهای سوپرنوای مجاور و دیگر پدیده‌های محلی برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان و تأثیر آن بر رسیدن به پاسخ‌های مختلف استفاده می‌کنند. در‌صورتی‌که مدل‌های ماده تاریک صحیح باشند، باید راه‌حلی برای اختلاف پایدار بین مشاهدات گذشته و حال وجود داشته باشد.

شبیه‌سازی‌هایی مثل SIBELIUS می‌توانند به حل مشکلات یادشده کمک کنند. ممکن است موقعیت قرارگرفتن کهکشانی در تاروپود کیهانی ماده تاریک بر اندازه‌گیری‌های سرعت انبساط جهان تأثیر بگذارد؛ درنتیجه این پرسش مطرح می‌شود که اگر راه شیری در یکی از حفره‌های این تار‌و‌پود باشد، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ شاید هم راه شیری مانند روستایی بین کلان‌شهرهای ماده تاریک باشد.

اگر بخشی از جهان که ما در آن قرار داریم، واقعاً نماینده‌ی کل آن نباشد، اندازه‌گیری‌هایمان درباره‌ی سرعت انبساط جهان ممکن است دچار خطا و انحراف باشند. به‌گفته‌ی پریاموادا نتاراجان، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ییل و کارشناس ماده تاریک، کهکشان راه شیری ممکن است در منطقه‌ای نسبتاً پرتراکم از ماده تاریک یا درمنطقه‌ی کم‌تراکم واقع شده باشد. او می‌افزاید:

نکته‌ی جالب این شبیه‌سازی آن است که می‌توانیم به این پرسش‌ها پاسخ دهیم: جایگاه ما متداول یا خاص است؟ توزیع ماده‌ی اطراف ما چقدر رایج است؟ آیا روی کوه هستیم یا در ته دره؟

فِرَنک و تیمش آزمایش‌های اولیه‌ی متعددی با کامپیوتر‌های تفکیک پایین انجام دادند؛ اما زمان برای استفاده از ابرکامپیوترها مانند تلسکوپ‌ها محدود است. آنان تنها یک بار فرصت اجرای شبیه‌سازی خود را پیدا کردند که به میلیون‌ها ساعت زمان محاسبه روی هزاران هسته‌ی کامپیوتری نیاز دارد؛ اما براساس نتایج شبیه‌سازی، متوجه شدند اطراف راه شیری غیرمعمولی به‌نظر می‌رسد.

در‌واقع، ما در منطقه‌ای کیهانی با تعداد کمتر از میانگین کهکشان زندگی می‌کنیم؛ اما تعداد زیادی خوشه‌ی کهکشانی هم در جهان وجود دارند که تعداد کهکشان‌های آن‌ها بیشتر از میانگین است. درنتیجه، محل زندگی ما مانند زندگی در شهری کم‌ارتفاع مثل لوس‌آنجلس است که رشته‌کوه‌هایی در دوردست‌ها دارد.

فِرَنک و بویلان کولچین معتقدند اگر راه شیری نمونه‌ای عجیب باشد، می‌تواند به توصیف برخی از رازهای ماده تاریک کمک کند. اگر ما در منطقه‌ای پراکنده از جهان باشیم، می‌توانیم بفهمیم چرا اندازه‌گیری‌های محلی‌مان درباره‌ی سرعت انبساط جهان با آنچه از اندازه‌گیری‌های جهان دوردست انتظار داریم، تفاوت دارند.

افزون‌براین، اگر کهکشان ما در منطقه‌ای بی‌قاعده از جهان قرار داشته باشد، می‌توان به ترکیب عجیب کهکشان‌های ماهواره‌ای پی برد. شاید این ماهواره‌ها به شکلی خاص به مدار راه شیری کشیده شده‌اند. به بیان دیگر، اگر اطراف راه شیری محیطی عجیب باشد؛ یعنی نظریه‌ی ماده تاریک فعلاً از این چالش‌ها جان سالم به‌در می‌برد.

با وجود تمام فرضیه‌ها، شبیه‌سازی SIBELIUS هنوز جای پیشرفت بیشتری دارد. همچنین، اگر مدل شکل‌گیری کهکشانی از متغیرهای سیال برای دنبال‌کردن ابرهای گازی تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ها و کهکشان‌ها استفاده کند، می‌تواند به منبع بهتری تبدیل شود. بدین‌ترتیب، کهکشان‌ها طبیعتاً در توده‌های ماده تاریک به‌وجود می‌آیند که می‌تواند برای بررسی مسائل دقیق‌تر ماده تاریک مفید باشد.

فِرَنک و تیمش می‌خواهند دقیقاً این کار را انجام دهند؛ گرچه به زمان محاسباتی بیشتری در ابرکامپیوتر نیاز دارند. در‌حال‌حاضر، فِرَنک از شبیه‌سازی‌های یادشده برای بررسی مشکلات مرتبط با مدل ماده تاریک سرد استفاده می‌کند. او می‌گوید: «اگر این نظریه اشتباه باشد، می‌خواهم کسی باشم که اشتباه‌بودن آن را ثابت می‌کند.»