حدود 100 سال است که بزرگترین سوالهای بیجوابی که در کیهانشناسی داشتهایم، مرتبط با ماده تاریک بودهاند. هرچند این ماده را نمیتوان بهطور مستقیم دید، نیروی گرانشیاش چیزی است که کهکشانها و ساختار کلی دنیا را شکل میدهد. دو فیزیکدان در موسسه پریمتر در حال تحقیق درباره این هستند که چطور نوع خاصی از ماده تاریک به نام ماده تاریک خودتعامل، بر روی رشد و تغییر ساختار جهان تاثیر میگذارد.
در تحقیقی که در جورنال فیزیکال ریویو لِتِرز منتشر شد، جیمز گوریان و سایمن مِی ابزار کامپیوتری جدیدی را معرفی کردند که برای بررسی اثر این نوع خاص از ماده تاریک طراحی شده است. این روش امکان بررسی انواعی از برهمکنشهای ذرات را فراهم میکند که پیش از این، مدلسازی دقیق آنها دشوار یا غیرعملی بود.
برهمکنش ماده تاریک خودتعامل
مادۀ تاریک خودتعامل نوعی تئوری از ماده تاریک است که اجزایش میتوانند با یکدیگر برخورد کنند، ولی با ذرات ماده باریونی، ماده آشنایی که از پروتون، نوترون و الکترون ساخته شده، واکنشی انجام نمیدهند. این برخوردها انرژی را از طریق چیزی که فیزیکدانان برهمکنش کشسان درونذرهای مینامند، حفظ میکند. این رفتار میتواند تاثیر بزرگی بر هاله ماده تاریک داشته باشد. هاله ماده تاریک توده عظیمی از ماده تاریک است که پیرامون کهکشانها را فرا میگیرد و به هدایت روند تکامل آنها کمک میکند.
گوریان، پژوهشگر پسادکتری پریمیتر و یکی از نویسندگان این مطالعه میگوید: «ماده تاریک تودههای نسبتا پراکندهای را تشکیل میدهد. در عین پراکنده بودن، این ماده هنوز بسیار متراکمتر از میانگین چگالی جهان است. کهکشان راه شیری و دیگر کهکشانها درون این هالههای ماده تاریک زندگی میکنند.»
گرما، جریان انرژی و فروپاشی هسته
خودتعاملیِ مادۀ تاریک خودتعامل میتواند باعث آغاز فرآیندی به نام فروپاشی گراووترمال در هالههای ماده تاریک شود. این پدیده از ویزگی متناقضنمایی در گرانش، یعنی هنگامی که سامانههای مقید به گرانش بهجای سردتر شدن، هنگام از دست دادن انرژی داغتر میشوند، بهوجود میآید.
گوریان میگوید: «این ماده تاریک خودتعامل با خود انرژی حمل میکند، و معمولا این جابجایی انرژی به سمت خارج از هالهها انجام میشود. این مسئله باعث میشود که هسته داخلی با جابجایی انرژی به بیرون، بسیار داغ و متراکم شود». با گذر زمان، این فرایند میتواند هسته هاله را به سمت فروپاشیای شدید سوق دهد.
پیوندی ناپیدا در مدلسازی ماده تاریک
شبیهسازی ساختارهای تشکیلشده توسط مادۀ تاریک خودتعامل چالش بزرگی بوده است. روشهای موجود فقط تحت شرایط خاصی به درستی کار میکنند. بعضی شبیهسازیها وقتی کار میکنند که ماده تاریک پراکنده و برخوردهایی که در آن رخ میدهند کم است، درحالیکه بقیه تنها زمانی موثرند که ماده تاریک بسیار متراکم بوده و برخوردهایی که در آن رخ میدهند زیاد است.
گوریان میگوید: «یکی از روشها شبیهسازی N-بدنی است که وقتی ماده تاریک تراکم زیادی ندارد و برخوردها در آن کمیابند، بسیار خوب عمل میکند. روش دیگر، روش مایع است. این روش وقتی کار میکند که ماده تاریک بسیار متراکم و تعداد برخوردهای آن بالاست.
ولی مابین این دو، روش خوبی وجود ندارد. برای عبور درست بین نواحی کمچگال و پرچگال به روشی میانرده نیاز دارید. پایه این پروژه همین مسئله بود.»
ابزار شبیهسازیای سریع و در دسترستر
برای حل این مشکل، گوریان و همکاری سایمن مِی، پژوهشگر پسادکتری سابق پریمتر که حال در دانشگاه بیلفلد مشغول به انجام تحقیقات پسادکتری است، کُدی جدید به نام KISS-SIDM ایجاد کردند. این نرمافزار پُلی است بین دو روش شبیهسازی موجود و نتایج دقیقتری با استفاده از قدرت کامپیوتری کمتر نشان میدهد. این ابزار بهطور عمومی در دسترس دیگر محققان نیز قرار گرفته است.
گوریان میگوید: «پیش از این، اگر میخواستید پارامترهای مختلف ماده تاریک خودتعامل را بررسی کنید، یا باید از روش بیشازاندازه سادهشدۀ مدل سیال استفاده میکردید، یا به خوشه محاسباتیای مراجعه میکردید که بسیار هزینهبر است. این کد سریعتر است و میتوانید در لپتاپ هم اجرایش کنید.»
دری به فیزیک جدید ماده تاریک
در سالهای اخیر علاقه به ماده تاریک بیشتر شده است. بخشی از این مسئله به دلیل خصوصیات گیجکنندهای در کهکشانهاست که با مدلهای استاندارد همخوانی ندارند.
نیل دَلال، عضوی از هیئت علمی موسسه پریمتر میگوید: «بهخاطر اینکه ناهنجاریهایی در کهکشانها مشاهده شده است که ممکن است نیازمند فیزیک جدید در ماده تاریک باشد، علاقه به برهمکنش با ماده تاریک افزایش چشمگیری داشته است.»
دلال میگوید: «تا قبل از این، امکان انجام محاسبات دقیق از شکلگیری ساختارهای کیهانی در چنین مدلهایی وجود نداشت، ولی روشی که جیمز و سایمن توسعه دادند راه حلی در اختیارمان گذاشت که با کمک آن بالاخره میتوانیم پیدایش ماده تاریک را در مدلهایی با برهمکنشهای قابل توجهی شبیهسازی کنیم. مقاله آنها امکان انجام گستره وسیعی از مطالعات را که پیش از این غیرقابل انجام بودند، فراهم خواهد کرد.»
تاثیر ماده تاریک خودتعامل بر سیاهچالهها و فراتر از آنها
فروپاشی هسته ماده تاریک به این دلیل بسیار جالب است که ممکن است اثرات قابل مشاهده، از جمله ارتباط بین ساختار سیاهچاله، از خود به جای بگذارد. بااینحال، چگونگی پایان این فرایند همچنان سوالی است بدون جواب.
«سوال حیاتی این است که نقطه آخر این فروپاشی چیست؟ چیزی که دنبال آن هستیم همین است: مطالعه فاز بعد از تشکیل سیاهچاله.»
با فراهم کردن امکان بررسی شرایط خاص ماده تاریک خودتعامل با جزئیات بالا، کد جدید قدم بزرگی به سمت پاسخ دادن به بعضی از عمیقترین سوالها درباره ماده تاریک و ساختار جهان است.
