منذ أن تم وضع نظرية لها لأول مرة في السبعينيات ، بذل علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكون قصارى جهدهم لحل اللغز الذي هو المادة المظلمة . يُعتقد أن هذه الكتلة غير المرئية تشكل 85٪ من المادة في الكون وتمثل 27٪ من كثافة كتلته وطاقته. ولكن أكثر من ذلك ، فإنه يوفر أيضًا البنية الهيكلية واسعة النطاق للكون (الشبكة الكونية) ، والتي تملي حركة المجرات والمواد بسبب تأثيرها الثقالي.
لسوء الحظ ، فإن الطبيعة الغامضة للمادة المظلمة تعني أن علماء الفلك لا يستطيعون دراستها مباشرة ، وبالتالي منعهم من قياس توزيعها. ومع ذلك ، من الممكن استنتاج توزيعها بناءً على تأثير جاذبيتها على المجرات المحلية والأجرام السماوية الأخرى. باستخدام أحدث تقنيات التعلم الآلي ، تمكن فريق من علماء الفيزياء الفلكية الكوريين الأمريكيين من إنتاج الخريطة الأكثر تفصيلاً حتى الآن للكون المحلي والتي تُظهر ما ' شبكة كونية ' يشبه.
قاد الفريق المسؤول عن هذا الاختراق كبير الباحثين سونغووك إي هونغ من جامعة سيول و معهد كوريا للفلك وعلوم الفضاء (كاسي). وانضم إليه الأستاذ المساعد Donghui Jeong من معهد الجاذبية والكون (IGS) في ولاية بنسلفانيا ، والباحثان Ho Seong Hwang و Juhan Kim من جامعة سيول الوطنية و المعهد الكوري للدراسات المتقدمة (KIAS) ، على التوالي.
في الماضي ، بدأت المحاولات السابقة لرسم خريطة للشبكة الكونية بنموذج للكون المبكر ثم محاكاة تطوره على مدار مليارات السنين. ومع ذلك ، لاقت هذه الطريقة نجاحًا محدودًا بسبب المقدار الهائل من قوة الحوسبة المطلوبة. باتباع نهج مختلف ، بنى الفريق نموذجًا يستخدم التعلم الآلي للتنبؤ بتوزيع المادة المظلمة بناءً على التوزيع المعروف وحركة المجرات.
قام الفريق ببناء هذا النموذج وتدريبه بمساعدة اللامع- TNG ، وهو مشروع علم الكونيات الذي أجرى عمليات محاكاة متعددة مع المجرات والغازات وأشكال أخرى من المادة الباريونية (المعروفة أيضًا باسم المواد المرئية) ، وكذلك المادة المظلمة. اختار الفريق مجرات محاكاة من Illustris-TNG كانت قابلة للمقارنة مع مجرة درب التبانة وحدد الخصائص اللازمة للتنبؤ بتوزيع المادة المظلمة. قالت جيونج:
'ومن المفارقات ، أنه من الأسهل دراسة توزيع المادة المظلمة على مسافة أبعد لأنها تعكس الماضي البعيد جدًا ، والذي هو أقل تعقيدًا بكثير. بمرور الوقت ، مع نمو الهيكل الواسع النطاق للكون ، ازداد تعقيد الكون ، لذلك من الصعب بطبيعته إجراء قياسات حول المادة المظلمة محليًا. '
'عند إعطاء معلومات معينة ، يمكن للنموذج بشكل أساسي أن يملأ الفجوات بناءً على ما نظر إليه من قبل. لا تتلاءم الخريطة من نماذجنا تمامًا مع بيانات المحاكاة ، ولكن لا يزال بإمكاننا إعادة بناء الهياكل التفصيلية للغاية. وجدنا أن تضمين حركة المجرات - سرعاتها الشعاعية الغريبة - بالإضافة إلى توزيعها عزز بشكل كبير جودة الخريطة وسمح لنا برؤية هذه التفاصيل. '
خريطة لتوزيع المادة المظلمة داخل الكون المحلي ، باستخدام نموذج لاستنتاج موقعها بسبب تأثير الجاذبية على المجرات. الائتمان: Hong et. آل. ، مجلة الفيزياء الفلكية
تضمنت الخطوة التالية تطبيق هذا النموذج على بيانات حقيقية من الكون المحلي ، والتي حصل عليها الفريق من كوزميكفلو -3 قاعدة البيانات. يحتوي هذا الكتالوج الفلكي على بيانات شاملة حول توزيع وحركة أكثر من 17000 مجرة في منطقة تبلغ مساحتها 650 مليون سنة ضوئية (200 ميغا فرسخ) حول مجرة درب التبانة. نجحت الخريطة الناتجة في إعادة إنتاج الهياكل البارزة المعروفة في الكون المحلي.
وشملت هذه 'الورقة المحلية، 'منطقة من الفضاء تحتوي على مجرة درب التبانة ، وأندروميدا (وأعضاء آخرين في' المجموعة المحلية ') ، ومجرات عنقود العذراء. كان الهيكل البارز الآخر هو 'الفراغ المحلي، 'منطقة فارغة نسبيًا بجوار المجموعة المحلية. بالإضافة إلى ذلك ، حددت الخريطة العديد من الهياكل الجديدة ، مثل الهياكل الخيطية الأصغر التي تعمل كوصلات خفية بين المجرات.
كما ترون من المقاطع العرضية للخريطة (الموضحة أعلاه) ، تمت الإشارة إلى تركيزات كبيرة من المادة المضيئة باللون الأحمر بينما يشار إلى الامتدادات الفارغة إلى حد كبير باللون الأزرق. يُشار إلى المجرات على أنها نقاط سوداء صغيرة ، ويشار إلى مجرة درب التبانة بعلامة X السوداء في المركز ، وتمثل الأسهم حركة هذه الهياكل واسعة النطاق. تتطلب هذه الخيوط المتصلة ، التي تظهر كخيوط صفراء ناعمة ، مراقبة متابعة لمعرفة المزيد عن هذه الميزات غير المعروفة سابقًا. قالت جيونج:
'إن وجود خريطة محلية للشبكة الكونية يفتح فصلاً جديدًا من الدراسة الكونية. يمكننا دراسة كيفية ارتباط توزيع المادة المظلمة ببيانات الانبعاث الأخرى ، والتي ستساعدنا على فهم طبيعة المادة المظلمة. ويمكننا دراسة هذه الهياكل الخيطية مباشرة ، هذه الجسور الخفية بين المجرات '.
'لأن المادة المظلمة تهيمن على ديناميكيات الكون ، فهي تحدد مصيرنا بشكل أساسي. لذلك يمكننا أن نطلب من جهاز كمبيوتر تطوير الخريطة لمليارات السنين لمعرفة ما سيحدث في الكون المحلي. ويمكننا تطوير النموذج في الوقت المناسب لفهم تاريخ جوارنا الكوني '.
محاكاة Illustris ، توضح توزيع المادة المظلمة في 350 مليونًا بمقدار 300000 سنة ضوئية. تظهر المجرات كنقاط بيضاء عالية الكثافة (على اليسار) وكمادة باريونية طبيعية (على اليمين). الائتمان: ماركوس حيدر / المصور
على سبيل المثال ، عرف العلماء لبعض الوقت أن مجرتا درب التبانة ومجرة المرأة المسلسلة تقترب ببطء من بعضهما البعض. ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانوا سيصطدمون في النهاية ليشكلوا مجرة عملاقة (يطلق عليها اسم Milkomeda بشكل غير إبداعي) في غضون 4.5 مليار سنة تقريبًا. من خلال دراسة خيوط المادة المظلمة التي تربط مجرتينا ، يمكن لعلماء الفيزياء الفلكية اكتساب رؤى قيمة حول مستقبلهم.
يخطط هونغ وزملاؤه أيضًا لتحسين دقة خريطتهم عن طريق إضافة المزيد من المجرات. سيكون هذا ممكنًا بفضل مهمات الجيل التالي مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) ، والذي سيتم إطلاقه أخيرًا في الفضاء في 31 أكتوبر.شارع، 2021. باستخدام مجموعته المتطورة من الأدوات ، سوف يدرس JWST الكون في الطول الموجي الطويل المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة إلى منتصف الأشعة تحت الحمراء.
سيسمح هذا لعلماء الفلك بتحديد المجرات الأصغر والأكثر خفوتًا والموجودة بعيدًا عن نظامنا الشمسي. ستؤدي التحسينات في الحوسبة والتعلم الآلي أيضًا إلى عمليات محاكاة أكبر وأفضل يمكن أن تمثل المزيد من المجرات على مدى فترات زمنية أطول. وبالمثل ، البعثات مثل وكالة الفضاء الأوروبية مرصد جايا يقدمون بيانات أكثر دقة فيما يتعلق بالحركات والسرعات المناسبة للمجرات (قياس الفلك).
إنه الخليفة المخطط له ، وكالة الفضاء الأوروبية مرصد إقليدس ، المقرر إطلاقه في عام 2022 وسيجمع بيانات عن ملياري مجرة عبر 10 مليارات سنة ضوئية من الفضاء. سيتم استخدام هذا لإنشاء الخريطة ثلاثية الأبعاد الأكثر تفصيلاً للمنطقة المحلية من الكون حتى الآن ، والتي من المتوقع أن تكشف عن أدلة حيوية حول دور المادة المظلمة (والطاقة المظلمة) في التطور الكوني. ستمنح هذه الخرائط علماء الفلك وسيلة للمقارنة ستسمح لهم بمعرفة أن نماذجهم الفيزيائية مناسبة للمال.
الدراسة التي تصف النتائج التي توصلوا إليها ، ' الكشف عن الشبكة الكونية المحلية من المجرات بواسطة التعلم العميق ، 'ظهر مؤخرًا فيمجلة الفيزياء الفلكية. تم إجراء هذا البحث بدعم من مؤسسة الأبحاث الوطنية الكورية ، وبتمويل من وزارة التعليم الكورية ، ووزارة العلوم الكورية ، ومؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF) ، وبرنامج ناسا لنظرية الفيزياء الفلكية ، ومركز KIAS. للحساب المتقدم.
قراءة متعمقة: جامعة الأمير سلطان و مجلة الفيزياء الفلكية
