ماده‌ی تاریک در صورت مشاهده چه شکلی خواهد بود؟
با انجام یک شبیه‌سازی رایانه‌ای گسترده، اخترشناسان موفق شدند شکل قابل قبولی برای ماده‌ی تاریک بیابند که با رصدهای انجام شده تاکنون مطابقت دارد.
چیزی را که نامرئی است چگونه مطالعه می‌کنید؟ این چالشی است که اخترشناسانی که ماده‌ی تاریک را مطالعه می‌کنند با آن روبه‌رو هستند. اگرچه ماده‌ی تاریک ۸۵ درصد کل ماده‌ی جهان را تشکیل می‌دهد، اما نوری ندارد و تنها از طریق تأثیر گرانشی که بر روی نور و سایر مواد دارد قابل مشاهده است. علاوه بر این تلاش‌ها برای کشف مستقیم ماده‌ی تاریک در زمین هم بی‌نتیجه بوده است.
با وجود ذات گریزان ماده‌ی تاریک، چیزهای زیادی درباره ی آن یافته‌ایم. می‌دانیم که این ماده فقط تاریک نیست، بلکه سرد هم هست. در نتیجه ماده‌ی تاریک به هم می‌پیوندد و بذر خوشه‌های کهکشانی را شکل می‌دهد. همچنین اغلب، هاله‌های اطراف کهکشان‌ها را ایجاد می‌کند. با این حال هنوز پرسش‌های بی‌پاسخ زیادی درباره‌ی ماده‌ی تاریک وجود دارد؛ بنابراین ستاره‌شناسان اغلب مدل‌های تازه‌ای را برای ماده‌ی تاریک توسعه می‌دهند و برای آزمودن دقت، آن‌ها را با رصدهای انجام شده مقایسه می‌کنند.
یکی از راه‌های انجام این کار، شبیه‌سازی رایانه‌ای پیشرفته است. به‌تازگی تیمی از مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان، یک شبیه‌سازی دقیق از جهان ماده‌ی تاریک انجام داده است و نتایج شگفت‌آوری را ایجاد کرده است.
دقت هر شبیه‌سازی ماده‌ی تاریک به پیش‌فرض‌هایی که درباره‌ی آن ارائه می‌دهیم بستگی دارد. در این مطالعه، تیم پژوهشی فرض کرد که ماده‌ی تاریک متشکل از ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) تشکیل شده است. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای مشابه برای ماده‌ی تاریک با پیش‌فرض WIMP قبلا هم انجام شده است. با این وجود، مطالعه‌ی کنونی با شبیه‌سازی ویژگی‌ها در مقیاس ۳۰ برابر بزرگنمایی، وضوحی بسیار بالا ارائه می‌دهد.
جست‌وجوی WIMP توسط رصدخانه‌ی ردیاب «نوترینو» آیس‌کیوب در قطب جنوب انجام شده است.
Credit: IceCube Collaboration/NSF
در این شبیه‌سازی، ماده‌ی تاریک درست در هاله‌های اطراف کهکشان‌ها شکل گرفت؛ درست همان‌طور که نتایج رصدها نشان می‌دهد. اما جالب اینجاست که هاله در همه‌ی مقیاس‌های جرمی، از هاله‌هایی کوچک با جرم سیاره تا هاله‌های کهکشانی و هاله‌های عظیمی که اطراف خوشه‌های کهکشانی تشکیل می‌شود، توسعه می‌یابد. این هاله‌ها ساختاری مشابه دارند، چگالی آن‌ها در مرکز بیشتر است و در لبه‌ها پراکنده‌تر می‌شوند. این موضوع که در همه‌ی مقیاس‌ها رخ می‌دهد، آن را به صفت مشخص ماده‌ی تاریک تبدیل می‌کند.
در حالی که هاله‌های کوچک-مقیاس، بسیار کوچ هستند و نمی‌توان از روی تأثیر گرانشی بر نور، آن‌ها را تشخیص داد؛ اما می‌توانند در مورد نحوه‌ی تعامل ماده‌ی تاریک با خودش اطلاعاتی را در اختیار ما قرار دهند. یک ایده درباره‌ی ماده‌ی تاریک این است که وقتی ذرات ماده‌ی تاریک با هم برخورد می‌کنند، پرتوی گاما منتشر می‌کنند.
هاله‌ی ماده‌ی تاریک در هر مقیاسی شبیه‌سازی شده است.
Credit: J. Wang; S. Bose/Center for Astrophysics
برخی از رصدهای پرتوی گاما، انتشار بیش از حد پرتوی گاما از مرکز کهکشان ما را نشان می‌دهد که می‌تواند ناشی از ماده‌ی تاریک باشد. در این مدل خاص، بیشتر تابش گامای تولید شده، توسط ماده‌ی تاریک از هاله‌های کوچکتر حاصل می‌شود. از آنجا که مقیاس هاله می‌تواند بر طیف انرژی پرتوی گاما اثر بگذارد، این مدل پیش‌بینی‌هایی خاص درباره‌ی پرتوی گامای اضافه‌ی کهکشان ما و دیگر کهکشان‌ها انجام می‌دهد.
ماده‌ی تاریک همچنان یکی از بزرگترین مشکلات مسأله‌های حل نشده در نجوم مدرن است. اگرچه دوست داریم آن را مستقیما کشف کنیم، اما تا زمانی که این اتفاق نیفتد، شبیه‌سازی‌هایی مانند این مطالعه، یکی از قدرتمندترین ابزارهای ما برای درک بهتر ماده‌ی تاریک است.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از هاله‌ی ماده‌ی تاریک
Credit: Shutterstock
منبع: Universe Today
