پل‌های مخفی میان کهکشان‌ها در نقشه‌ی تازه‌ای از ماده‌ی تاریک آشکار شد

یک نقشه‌ی تازه از ماده‌ی تاریک در مقیاس محلی کیهان، چندین ساختار رشته‌ای را به‌عنوان پل‌های رابط میان کهکشان‌ها نشان می‌دهد که پیش از این کشف نشده بود.

نقشه‌ی تازه‌ای از ماده‌ی تاریک که با استفاده از یادگیری ماشینی تهیه شده است، می‌تواند توسعه‌ی مطالعات درباره‌ی ماهیت ماده‌ی تاریک و همچنین تاریخچه و آینده‌ی جهان محلی ما را امکان‌پذیر کند.

• رمز و راز جرم گم‌شده‌ی عالم؛ ماده‌ی تاریک چیست؟

«ماده‌ی تاریک» (Dark Matter) ماده‌ای گریزان است که ۸۰ درصد کیهان را تشکیل می‌دهد. این ماده همچنین اسکلت چیزی را تشکیل می‌دهد که کیهان‌شناسان آن را «تار کیهانی» (Cosmic Web) می‌نامند. ساختاری بزرگ-مقیاس از کیهان که به دلیل اثر گرانشی، حرکت کهکشان‌ها و دیگر مواد کیهانی را موجب می‌شود.

دشوار بودن بررسی توزیع ماده‌ی تاریک محلی

با این وجود، توزیع ماده‌ی تاریک محلی هم‌اکنون ناشناخته است، زیرا نمی‌توان آن را مستقیما اندازه‌گیری کرد. در عوض پژوهشگران باید توزیع آن را بر اساس تأثیر گرانشی آن بر دیگر اجرام کیهان مانند کهکشان‌ها درک کنند.

شبیه‌سازی ماده‌ی تاریک بر اساس محاسبات عددی، در هنگامی که جهان ۳ میلیارد سال سن داشته است.
Credit: The Virgo Consortium/Alexandre Amblard/ESA

«دونگویی جئونگ» (Donghui Jeong) دانشیار نجوم و اخترفیزیک دانشگاه پنسیلوانیا و نویسنده‌ی این مطالعه گفت: «نکته‌ی جالب توجه آن است که مطالعه‌ی توزیع ماده‌ی تاریک بسیار دور، آسان‌تر است زیرا منعکس‌کننده‌ی گذشته‌ی بسیار دور است که پیچیدگی ساختاری کمتری دارد. با گذشت زمان و رشد ساختارهای بزرگ-مقیاس کیهانی، پیچیدگی جهان افزایش یافته است، بنابراین ذاتا سخت‌تر است که اندازه‌گیری ماده‌ی تاریک را به‌صورت محلی انجام دهیم.»

تلاش‌های قبلی برای نقشه‌برداری از شبکه‌ی کیهانی با الگویی از جهان اولیه آغاز شد و سپس تکامل این مدل کیهانی طی میلیاردها سال را شبیه‌سازی کرد. با این وجود، این روش از نظر محاسباتی سنگین است و تا کنون نتوانسه جزئیاتی با جزئیات به اندازه‌ی کافی بالا برای دیدن جهان محلی تولید کند.

استفاده از یادگیری ماشینی

در مطالعه‌ی تازه، پژوهشگران رویکردی کاملا متفاوت را پیش گرفتند و با استفاده از یادگیری ماشینی مدلی ساختند که از اطلاعات مربوط به توزیع و حرکت کهکشان‌ها برای پیش‌بینی توزیع ماده‌ی تاریک استفاده می‌کند.

پژوهشگران این مدل را با استفاده از مجموعه‌ی بزرگی از شبیه‌سازی‌های کهکشانی با نام Illustris-TNG ساختند و آموزش دادند که شامل کهکشان‌ها، گازها، دیگر مواد مرئی و همچنین ماده‌ی تاریک است. این تیم به‌طور خاص کهکشان‌های شبیه‌سازی شده‌ی قابل مقایسه با کهکشان راه شیری را انتخاب و در نهایت تعیین کرد که چه ویژگی‌هایی از کهکشان برای توزیع ماده‌ی تاریک نیاز است.

جئونگ گفت: «با دادن اطلاعات خاصی، اساسا مدل توسعه یافته می‌تواند فاصله‌ها را طبق آنچه قبلا به آن‌ها نگاه کرده، پر کند. نقشه‌ی مدل‌های ما اگرچه کاملا منطبق با داده‌های شبیه‌سازی نیست اما هنوز هم می‌توانیم ساختارهای بسیار دقیق را بازسازی کنیم.»

نقشه‌ی ماده‌ی تاریک در جهان محلی
اثرات گرانشی با نقاط سیاه، ویژگی‌های شاخص کیهانی با رنگ قرمز و رشته‌هایی که به‌عنوان پل‌های میان‌کهکشانی عمل می‌کنند، با رنگ زرد مشخص است.
Credit: Hong et. al., Astrophysical Journal

او افزود: «ما دریافتیم که در نظر گرفتن حرکت کهکشان‌ها و سرعت‌های شعاعی آن‌ها، علاوه بر توزیع آن‌ها، کیفیت نقشه را به‌شدت افزایش می‌دهد و دیدن جزئیات را برای ما ممکن می‌سازد.»

این تیم سپس مدل خود را بر روی داده‌های واقعی جهان محلی از کاتالوگ کهکشانی Cosmicflow-3 پیاده‌سازی کرد. این فهرست شامل داده‌های جامعی درباره‌ی توزیع و حرکت بیش از ۱۷ هزار کهکشان در نزدیکی راه شیری، تا فاصله‌ی ۲۰۰ پارسک، است.

نقشه‌ی حاصل از شبکه‌ی کیهانی محلی در مقاله‌ی ۲۶ می (۵ خرداد) نشریه‌ی «استروفیزیکال ژورنال» (Astrophysical Journal) منتشر شده است. پژوهشگران دانشگاه سئول و مؤسسه‌ی علوم فضایی کره‌ی جنوبی هم در این پژوهش همکاری داشته‌اند که با حمایت بنیاد تحقیقات ملی کره‌ی جنوبی، وزارت آموزش کره‌ی جنوبی، بنیاد ملی علوم آمریکا، برنامه‌ی تئوری اخترفیزیک ناسا و مرکز محاسبات پیشرفته در مؤسسه‌ی مطالعات پیشرفته‌ی کره‌ی جنوبی انجام شده است.

• ماده‌ی تاریک در صورت مشاهده چه شکلی خواهد بود؟

نقشه‌ی دقیق از شبکه‌ی تارهای کیهانی محلی

این نقشه ساختارهای برجسته‌ی شناخته شده در جهان محلی، از جمله «صفحه‌ی محلی» (Local Sheet) منطقه‌ای از فضا که شامل کهکشان راه شیری، کهکشان‌های نزدیک در گروه محلی و کهکشان‌های خوشه‌ی ویرجین و همچنین منطقه‌ی «تهی‌جای» یا «پوچ محلی» (Local Void) که منطقه‌ای نسبتا خالی از فضا در کنار گروه محلی است را به‌خوبی بازتولید می‌کند. علاوه بر این دانشمندان چندین ساختار جدید را شناسایی کردند که نیازی به تحقیقات بیشتری دارند از جمله ساختارهای رشته‌ای کوچکتری که کهکشان‌ها را به هم متصل می‌کنند.

جئونگ گفت: «داشتن یک نقشه‌ی محلی از شبکه‌ی کیهانی، فصل تازه‌ای از مطالعه‌ی کیهان‌شناسی را باز می‌کند. ما می‌توانیم شیوه‌ی ارتباط توزیع ماده‌ی تاریک با دیگر داده‌های تابشی را مطالعه کنیم که به ما در درک اهمیت ماده‌ی تاریک کمک می‌کند. همچنین می‌توانیم این ساختارهای رشته‌ای را مستقیما به‌عنوان پل‌های مخفی میان کهکشان‌ها مطالعه کنیم.»

پیش‌بینی آینده

برای نمونه گفته شده که کهکشان راه شیری و کهکشان آندرومدا ممکن است به‌آرامی به سمت یکدیگر حرکت کنند اما اینکه آیا ممکن است طی میلیاردها سال با هم برخورد کنند، هنوز به‌صورت قطعی مشخص نیست. مطالعه‌ی رشته‌های ماده‌ی تاریک که دو کهکشان را به هم متصل می‌کند، می‌تواند بینش مهمی درباره‌ی آینده‌ی آن‌ها ارائه کند.

• نقشه‌ی هاله‌ی کهکشان آندرومدا با جزئیات زیاد تهیه شد

به گفته‌ی جئونگ «از آنجا که ماده‌ی تاریک بر حرکت‌های جهان حاکم است، اساسا سرنوشت ما را تعیین می‌کند. بنابراین می‌توانیم از رایانه بخواهیم که نقشه را برای میلیاردها سال تکامل ببخشد تا ببینیم در آینده، در جهان محلی ما چه روی می‌دهد. یا می‌توانیم مدل را به گذشته بازگردانیم تا بتوانیم تاریخچه‌ی همسایگی کیهانی خود را درک کنیم.»

پژوهشگران معتقدند که می‌توانند با افزودن داده‌های کهکشان‌های بیشتر، دقت این نقشه‌ی ماده‌ی تاریک را بهبود دهند. بررسی‌های نجومی برنامه‌ریزی شده، برای نمونه با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب، می‌تواند این امکان را فراهم کند که کهکشان‌های کم‌نور یا کوچکی را که هنوز مشاهده نشده‌اند و یا کهکشان‌های دورتر را به مدل خود اضافه کنند.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از ساختارهای رشته‌ای ماده‌ی تاریک

Credit: Daily Express

منبع: Futurity