كيف تدرس شيئًا غير مرئي؟ هذا هو التحدي الذي يواجه علماء الفلك الذين يدرسون المادة المظلمة. على الرغم من أن المادة المظلمة تشكل 85٪ من كل المادة في الكون ، إلا أنها لا تتفاعل مع الضوء. يمكن رؤيته فقط من خلال تأثير الجاذبية على الضوء والمواد الأخرى. ومما زاد الطين بلة ، أن الجهود المبذولة للكشف المباشر عن المادة المظلمة على الأرض باءت بالفشل حتى الآن.
على الرغم من الجودة المراوغة للمادة المظلمة ، فقد تعلمنا العديد من الأشياء عنها. نحن نعلم أن الجو ليس مظلمًا فقط بل باردًا. نتيجة لذلك ، تتجمع معًا لتشكل بذور عناقيد المجرات. غالبًا ما تشكل أيضًا هالات حول المجرات ، مما يشكل غالبية كتلة المجرة. ومع ذلك ، لا يزال هناك العديد من الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها حول المادة المظلمة ، لذلك غالبًا ما يطور علماء الفلك نماذج جديدة للمادة المظلمة ، ويقارنونها بالملاحظة لاختبار دقتها.
طريقة واحدة للقيام بذلك هي من خلال المحاكاة الحاسوبية المتطورة. قام مؤخرًا فريق من مركز هارفارد وسميثسونيان للفيزياء الفلكية بإجراء محاكاة مفصلة لكون المادة المظلمة ، وقد أسفرت عن بعض النتائج المدهشة.
بحث كاشف النيوترينو IceCube في القارة القطبية الجنوبية عن WIMPs. الائتمان: IceCube Collaboration / NSF
تعتمد دقة محاكاة أي مادة مظلمة على الافتراضات التي تقوم بها حول المادة المظلمة. في هذه الحالة ، افترض الفريق أن المادة المظلمة تتكون من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) بكتلة تناهز 100 ضعف كتلة البروتون. تعد WIMPs واحدة من أكثر النظريات شيوعًا للمادة المظلمة. تم إجراء محاكاة كمبيوتر مماثلة للمادة المظلمة WIMP من قبل. ومع ذلك ، كان هذا الجهاز عالي الدقة بشكل استثنائي ، حيث يحاكي ميزات على نطاق يتراوح عبر ثلاثين أمرًا من حيث الحجم.
في هذه المحاكاة ، تشكلت المادة المظلمة في هالات حول المجرات ، تمامًا كما نلاحظ. لكن المثير للاهتمام ، أنها وجدت أن الهالات تطورت أيضًا على جميع مستويات الكتلة ، من الهالات الصغيرة ذات الكتلة الكونية ، إلى الهالات المجرية ، إلى الهالات الضخمة التي تتشكل حول عناقيد المجرات. هذه الهالات لها هيكل مماثل ، حيث تكون أكثر كثافة تجاه مركزها ، وتصبح أكثر انتشارًا عند حوافها. حقيقة أن هذا يحدث على جميع المقاييس يجعله سمة واضحة للمادة المظلمة.
تظهر المحاكاة هالات مظلمة في جميع المقاييس. الائتمان: J. Wang؛ S. Bose / مركز الفيزياء الفلكية
في حين أن الهالات الصغيرة الحجم أصغر من أن يتم اكتشافها من خلال تأثير الجاذبية على الضوء ، فإنها يمكن أن تخبرنا عن كيفية تفاعل المادة المظلمة مع نفسها. تتمثل إحدى الأفكار حول المادة المظلمة في أنه عندما تصطدم جسيمات المادة المظلمة ، فإنها تنبعث منها أشعة جاما. أشارت بعض ملاحظات أشعة جاما إلى وجود أ يأتي فائض شعاع جاما من مركز مجرتنا ، والذي يمكن أن يكون ناتجًا عن المادة المظلمة. في هذا النموذج بالذات ، تأتي معظم إشعاعات غاما التي تنتجها المادة المظلمة من هالات أصغر. نظرًا لأن مقياس الهالة سيؤثر على طيف الطاقة لأشعة جاما ، فإن هذا النموذج يقدم تنبؤات محددة حول فائض أشعة جاما الذي يجب أن نراه في مجرة درب التبانة والمجرات الأخرى.
تظل المادة المظلمة واحدة من أكبر المشكلات التي لم يتم حلها في علم الفلك الحديث. بينما نرغب في اكتشافها مباشرة ، حتى يحدث ذلك ، تعد عمليات المحاكاة مثل هذه واحدة من أقوى أدواتنا لفهم المادة المظلمة بشكل أفضل.
المرجعي:Wang ، J. ، Bose ، S. ، Frenk ، C.S. et al. ' التركيب الشامل للمادة المظلمة هالات على مدى كتلة من 20 مرتبة من حيث الحجم . 'طبيعة سجية585.7823 (2020): 39-42.