ساعد أقوى حاسوب فائق تابع لوكالة ناسا الباحثين على محاكاة هالة المادة المظلمة التي تحيط بدرب التبانة. تُظهر هذه المحاكاة الحاسوبية الجديدة كيف تتجمع المادة المظلمة معًا في "subhalos" داخل الهالة الأكبر المحيطة بدرب التبانة. هذا جزء من لغز ، لأن المادة المظلمة لا تتطابق مع تكتل المجرات الساتلية التي تحيط بنا.
استخدم باحثون في جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز ، أقوى حاسوب فائق تابع لوكالة ناسا لتشغيل أكبر محاكاة حتى الآن لتشكيل وتطور هالة المادة المظلمة التي تغلف مجرة درب التبانة. تظهر نتائجهم الهياكل الأساسية داخل الهالة بتفاصيل غير مسبوقة ، مما يوفر أداة قيمة لفهم التاريخ التطوري لمجرتنا.
كل مجرة محاطة بهالة من المادة المظلمة الغامضة التي لا يمكن اكتشافها بشكل غير مباشر إلا من خلال مراقبة آثارها الجاذبية. الهالة غير المرئية أكبر بكثير وأكثر كروية من المجرة المضيئة في مركزها. أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية الحديثة أن الهالة متكتلة بشكل مدهش ، مع تركيزات كثيفة نسبيًا من المادة المظلمة في "subhalos" المرتبطة بالجاذبية داخل الهالة. تُظهر الدراسة الجديدة ، التي تم قبول نشرها في مجلة الفيزياء الفلكية ، بنية تحتية أكثر شمولاً بكثير من أي دراسة سابقة.
قال "وجدنا ما يقرب من 10000 سوبالوس ، أكثر من حجم واحد أكثر من أي محاكاة سابقة ، وبعض من سوبالوس معرض" البنية الفرعية ". كان هذا متوقعًا نظريًا ، لكننا أظهرنا ذلك لأول مرة في محاكاة رقمية". بييرو مادو ، أستاذ الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة كاليفورنيا في كاليفورنيا ، ومؤلف مشارك للورقة.
قال يورغ ديماند ، زميل ما بعد الدكتوراه في هابل في جامعة كاليفورنيا في كاليفورنيا ، وأول كاتب للصحيفة ، إن النتائج الجديدة تفاقم ما يعرف باسم "مشكلة الأقمار الصناعية المفقودة". تكمن المشكلة في أن تكتل المادة الطبيعية داخل مجرتنا وحولها - في شكل مجرات قزم قمرية - لا يتطابق مع تكتل المادة المظلمة الظاهرة في المحاكاة.
"يواصل الفلكيون اكتشاف المجرات القزمة الجديدة ، ولكن لا يزال هناك حوالي 15 تقريبًا أو نحو ذلك ، مقارنة بحوالي 120 مادة مظلمة فرعية ذات حجم مماثل في محاكاة لدينا. إذن أيها يستضيف المجرات القزمة ، ولماذا؟ " قال ديماند.
وقال ماداو إن النماذج النظرية التي يقتصر فيها تكوين النجوم على أنواع معينة من هالات المادة المظلمة - الضخمة بما فيه الكفاية أو التي تكونت في وقت مبكر - قد تساعد في حل التناقض.
على الرغم من أن طبيعة المادة المظلمة تظل غامضة ، يبدو أنها تمثل حوالي 82 في المائة من المادة في الكون. ونتيجة لذلك ، كان تطور البنية في الكون مدفوعًا بالتفاعلات التثاقلية للمادة المظلمة. لقد سقطت المادة "الطبيعية" التي تشكل الغاز والنجوم في "آبار الجاذبية" الناتجة عن كتل المادة المظلمة ، مما أدى إلى ظهور المجرات في مراكز هالات المادة المظلمة.
في البداية ، عملت الجاذبية على تقلبات كثافة طفيفة موجودة بعد فترة قصيرة من الانفجار الكبير لتجميع أول كتل من المادة المظلمة. نمت هذه إلى كتل أكبر وأكبر من خلال الدمج الهرمي للالسلالة الأصغر. هذه هي العملية التي قام بها باحثو جامعة كاليفورنيا في كاليفورنيا بمحاكاة الحاسوب العملاق في كولومبيا في مركز ناسا لأبحاث أميس ، أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر في العالم. وقال ديماند إن المحاكاة استغرقت شهرين لإكمالها ، حيث تعمل على 300 إلى 400 معالج في وقت واحد لـ 320،000 "وحدة معالجة مركزية".
قال Coauthor Michael Kuhlen ، الذي بدأ العمل في المشروع كطالب دراسات عليا في UCSC وهو الآن في معهد الدراسات المتقدمة في برينستون ، حدد الباحثون الشروط الأولية بناءً على أحدث النتائج من مسبار Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) تجربة. تقدم نتائج WMAP الجديدة ، التي تم إصدارها في مارس ، الصورة الأكثر تفصيلاً على الإطلاق للكون الرضيع.
تبدأ المحاكاة بعد حوالي 50 مليون سنة من الانفجار العظيم وتحسب تفاعلات 234 مليون جزيء من المادة المظلمة على مدى 13.7 مليار سنة من الزمن الكوني لإنتاج هالة على نفس مقياس درب التبانة. التكتلات الموجودة داخل الهالة هي بقايا الاندماجات التي نجت فيها نوى الهالات الأصغر على شكل جسيمات فرعية تدور حول الجاذبية داخل النظام المضيف الأكبر.
أنتجت المحاكاة خمسة سهول ضخمة (كل منها أكثر من 30 مليون مرة كتلة الشمس) والعديد من الأصغر داخل 10 في المائة الداخلية من هالة المضيف. وقال ديماند إن مجرة قزمة واحدة معروفة فقط (القوس) هي تلك القريبة من مركز درب التبانة.
“هناك كتل كبيرة من المادة المظلمة في نفس المنطقة حيث سيكون قرص درب التبانة. لذلك حتى في الجوار المحلي لنظامنا الشمسي ، قد يكون توزيع المادة المظلمة أكثر تعقيدًا مما افترضنا ".
قد يتمكن الفلكيون من اكتشاف كتل المادة المظلمة داخل هالة درب التبانة باستخدام مقاريب أشعة غاما المستقبلية ، ولكن فقط إذا كانت المادة المظلمة تتكون من أنواع الجسيمات التي من شأنها أن تؤدي إلى انبعاثات أشعة غاما. بعض مرشحي المادة المظلمة - مثل المحايدة ، وهو جسيم نظري تنبأت به نظرية التناظر الفائق - يمكن أن يهلك (أي يتم تدميره بشكل متبادل) في التصادمات ، مما يؤدي إلى توليد جزيئات جديدة وانبعاث أشعة جاما.
قال كوهلين: "لم تكتشف مقاريب أشعة غاما الحالية إبادة المادة المظلمة ، لكن التجارب القادمة ستكون أكثر حساسية ، لذا هناك بعض الأمل في أن تنتج سوبالوس الفردية توقيعًا يمكن ملاحظته".
على وجه الخصوص ، يتطلع الفلكيون إلى نتائج مثيرة للاهتمام من تلسكوب جاما راي لمساحة كبيرة (GLAST) ، المقرر إطلاقه في عام 2007 ، على حد قوله.
وقال دييماند إن المحاكاة توفر أيضًا أداة مفيدة لعلماء الفلك الراصدين الذين يدرسون أقدم النجوم في مجرتنا من خلال توفير رابط بين الملاحظات الحالية والمراحل السابقة من تكوين المجرات.
"تشكلت أول المجرات الصغيرة في وقت مبكر جدًا ، بعد حوالي 500 مليون سنة من الانفجار العظيم ، ولا تزال هناك اليوم نجوم في مجرتنا تشكلت في هذا الوقت المبكر ، مثل السجل الأحفوري لتكوين النجوم المبكر. قال ديماند: "يمكن لمحاكاة لدينا أن توفر السياق الذي جاءت منه تلك النجوم القديمة وكيف انتهى بها الأمر في المجرات القزمة وفي بعض المدارات في الهالة النجمية اليوم."
المصدر الأصلي: UC Santa Cruz News Release
