کارلوس فرانک در دهه های 1980 و 1990، او بر روی اولین مجموعه از نظریه های ماده تاریک سرد کار کرد. او فکر می کند که این نظریه مدت زیادی دوام نخواهد آورد. در اینجا “سرد” به ذرات نامرئی در سرعت های پایین اشاره دارد. او و همکارانش قبلا تئوری ماده تاریک، سریع و داغ را آزمایش کرده بودند. بر اساس این نظریه، ماده تاریک از ذراتی مانند نوترون تشکیل شده است. اما این احتمال به سرعت از بین رفت. در مقابل، نظریه ماده تاریک سرد مدل استاندارد برای فیزیکدانان برای دو دهه بوده است.
اکنون فرانک، فیزیکدان دانشگاه دورهام در بریتانیا، در تلاش است تا نواقص نظریه ماده تاریک سرد را دوباره کشف کند. او امیدوار است با شبیه سازی جدید خود به سوالات بی پاسخ پاسخ دهد. او می‌گوید: «علم به این شکل عمل می‌کند، یکی از آرزوهای من امروز این است که نظریه‌هایی را که در گذشته انجام داده‌ام رد کنم».
فرانک و همکارانش در دانشگاه دورهام و هلسینکی فنلاند به تازگی بخش اول شبیه سازی کامپیوتری دنیای تاریک را به پایان رسانده اند. این پروژه Simulation Beyond the Local World یا SIBELIUS نام دارد استوارت مک آلپاین و سل ساوالا اجرا شد که این دو با فرانک در دورهام همکاری کرده بودند.
تحقیقات آنها فقط در مورد شبیه سازی ماده تاریک نیست. این کهکشان نیز از کهکشان راه شیری و خانه ما در جهان الگوبرداری شده است. تحقیقات آنها در ماه گذشته منتشر شد. “این اولین تلاش برای شبیه سازی کهکشان ما در جهان با ساختاری است که می شناسیم. “شامل خوشه های ناخودآگاه و خوشه های در حال افزایش.”
خواص فلزی ده ها میلیون سال نوری یا بیشتر از زمین برای درک ادغام و تکامل کهکشان راه شیری در طی میلیاردها سال مهم است. این ویژگی ها ممکن است بر دیدگاه فیزیکدانان در مورد سرعت گسترش جهانی تأثیر بگذارد. فرانک و تیمش امیدوارند شبیه سازی آنها ابزار مفیدی برای حل این سوالات مهم باشد و اگر به این سوالات پاسخ ندهند به این معنی است که نظریه فعلی ماده تاریک مشکل ساز است.
تلاش‌های گذشته نظریه‌پردازان، از جمله خود فرانک، به شبیه‌سازی بخش‌های بزرگی از جهان که از نظر آماری با دنیای واقعی یکسان هستند، محاسبه تعداد کهکشان‌ها و کهکشان‌ها یا تمرکز بر کهکشان راه شیری اختصاص داشت. اما هنوز چیزهای زیادی برای یادگیری از اطراف کهکشان وجود دارد.
ستاره شناسان کهکشان راه شیری را نقشه برداری کرده اند و کهکشان های ماهواره ای کوچکی مانند ابر ماژلانی را مشاهده کرده اند که به دور کهکشان راه شیری می چرخند و شبیه به ماه هستند. آنها چندین دهه است که کهکشان ها و دیگر اجرام مجاور را طبقه بندی می کنند. چارلز مسیحادر سال 1781، ستاره شناسان فرانسوی اولین خوشه سنبله را در صورت فلکی به همین نام کشف کردند.
سیبری مجموعه ای پیچیده تر است. زیرا مبتنی بر مشاهده موثر مجاورت فلزات است و در واقع هدف آن بازآفرینی جغرافیای منطقه راه شیری است. مجموعه شبیه سازی سیبری جامع است و می تواند فضای سه بعدی را شبیه سازی کند که یک طرف آن می تواند به 3.3 میلیارد سال نوری برسد. در این جهان مجازی کهکشان راه شیری در مرکز جهان و کهکشان آندرومدا در کنار آن قرار دارد.
SIBELIUS یک دسته “تمرین محدود” است. یعنی شبیه سازی این مجموعه و دیگر کهکشان های محلی باید با آنچه در دنیای واقعی می دانیم سازگار باشد. با نقشه برداری از این داده ها، محققان می خواهند در یک زمینه گسترده تر ببینند که آیا این منطقه نماینده کل جهان است یا خیر. در یک جهان غیرمعمول، ممکن است کهکشان‌های بیش از حد انتظار در اطراف محیط وجود داشته باشد.
در مرکز شبیه سازی کهکشان راه شیری و نزدیک ترین همسایه آن کهکشان آندرومدا (M3) است.
اکثر فیزیکدانان بر این باورند که توده های بزرگ و پنهان ماده تاریک ساختارهای کهکشانی را متحد می کند. در برخی از قسمت های شبیه سازی SIBELIUS ماده تیره تری نسبت به سایر قسمت ها وجود دارد. در این شبیه سازی، ماده تاریک به یک جرم کوچک می شود و سپس رشد می کند. فرانک و همکارانش نحوه شکل گیری و جرم کهکشان ها را مدل کردند و سپس رویدادهای شبیه سازی شده را با پدیده های دنیای واقعی مقایسه کردند.
مایک بولان کولچینفیزیکدانان دانشگاه تگزاس در آستین در حال انجام تحقیقاتی بر روی ماده تاریک و کهکشان های شبیه سازی شده هستند. او وضعیت را به کسی تشبیه می کند که شامل شهر کنونی می شود و سپس دید دقیق تری از تاریخ نسبی آنها و خیابان های بین شهرها ایجاد می کند. او می گوید:
برای مثال، فرض کنید تعداد شهرهای بزرگ ایالات متحده را می دانید. اما اگر بدانید این شهرها در کجا مقایسه می شوند و جغرافیای آنها را می شناسید، می توانید اطلاعات بیشتری در مورد تاریخچه آنها و نحوه ایجاد آنها پیدا کنید.
در مورد تاریخچه کهکشان راه شیری، کلچین همچنین می گوید که ما می خواهیم بدانیم ماده تاریک و کهکشان های دیگر در آن سوی راه شیری چگونه گذشته خود را نشان می دهند. دستیابی به یک تقسیم بندی واضح از کهکشان اطراف چقدر مهم است؟ برخی از ویژگی های کهکشان راه شیری چقدر مشترک هستند و چگونه با محیط بزرگ مقیاس مرتبط هستند؟ با این شبیه سازی ها می توان به تمامی این سوالات پاسخ داد.
ستاره شناسان تلسکوپ های خود را بر روی نزدیک ترین نقطه جهان متمرکز می کنند. زیرا می توانند ستارگان و کهکشان های این مناطق را با جزئیات بیشتری مطالعه کنند. اما گاهی اخترشناسان در محاسبه مربع نزدیکترین کهکشان به نظریه ماده تاریک مشکل دارند. برای مثال، نمونه‌های اولیه پیش‌بینی می‌کردند که کهکشان‌های نزدیک بیشتری در دنیای واقعی به نام «ماهواره‌های گمشده» وجود خواهند داشت.
ماده تاریک گرانش کافی برای جمع آوری گاز تشکیل دهنده ستاره ها و کهکشان ها دارد. با این حال، مشکل این است که شبیه سازی توده عظیمی از ماده تاریک در حال چرخش را ایجاد می کند که شبیه ماده تاریک یک کهکشان ماهواره ای است. اما به نظر می رسد که هیچ مشابهی در دنیای واقعی وجود ندارد. به این می گویند “خیلی بزرگ”. از آنجایی که تصور می شود حباب های عظیم ماده تاریک بسیار سنگین هستند، تشکیل کهکشان در قلب آنها غیرممکن است.
چالش سوم از این واقعیت ناشی می شود که کهکشان های ماهواره ای در اطراف کهکشان راه شیری و آندرومدا احتمالاً در مدار یکسانی می چرخند و در همه جا پراکنده نیستند. این چیزی است که فیزیکدانان پیش بینی کرده اند. معمولاً مشکلات فلزی دیگری نیز وجود دارد که فرانک و همکارانش به دنبال حل آنها هستند. ستاره شناسان از فوران های ابرنواختر نزدیک و سایر پدیده های محلی برای اندازه گیری سرعت انبساط جهان و تأثیر آن بر پاسخ های مختلف استفاده می کنند. اگر مدل ماده تاریک درست باشد، باید راه حلی برای تفاوت های بلندمدت بین مشاهدات گذشته و حال وجود داشته باشد.
شبیه سازی هایی مانند SIBELIUS می تواند به حل این مشکلات کمک کند. موقعیت کهکشان در تاروپود فلزی ماده تاریک می تواند بر اندازه گیری سرعت انبساط کیهان تأثیر بگذارد. در نتیجه این سوال پیش می آید که اگر مجرای شیر در حفره ای از این بافت باشد چه اتفاقی می افتد؟ شاید کهکشان راه شیری مانند روستایی بین شهرهای تاریک باشد.
اگر بخشی از جهان که در آن قرار داریم کل را نشان ندهد، اندازه گیری ما از سرعت انبساط جهان ممکن است نادرست باشد. به به پریاموادا نتاراجانکهکشان راه شیری ممکن است در یک منطقه متراکم از ماده تاریک یا در یک منطقه با چگالی کم باشد. او اضافه کرد:
نکته جالب در مورد این شبیه سازی این است که می توانیم به این سوالات پاسخ دهیم: آیا موقعیت مکانی ما عادی است یا خاص؟ توزیع ماده در اطراف ما چقدر رایج است؟ ما در کوه هستیم یا در ته دره؟
به به منبع جنیهنگامی که ستاره شناسان در Astrophysique Spatiale در اورسی، فرانسه، کهکشان مشاهده شده را با آنچه در شبیه سازی دیدیم مقایسه کردند، مجبور شدیم سیب را با سیب مقایسه کنیم. این منبع در طراحی شبیه سازی مشابهی به نام CLONE که بر کهکشان صورت فلکی ویرجو تمرکز دارد، نقش دارد. وی گفت: اگر تیم ها سابقه یکسانی نداشته باشند یا در یک محیط نباشند، قابل مقایسه نیستند.
فرانک و تیمش آزمایش های اولیه زیادی را با کامپیوترهای با وضوح پایین انجام دادند. اما زمان محدود به استفاده از کامپیوترهای مدرن مانند تلسکوپ است. آنها یک فرصت منحصر به فرد برای اجرای شبیه سازی خود دارند که به میلیون ها ساعت در هزاران هسته کامپیوتر نیاز دارد. اما بر اساس نتایج شبیه سازی، آنها دریافتند که منطقه اطراف کهکشان راه شیری غیرعادی به نظر می رسد.
در واقع، ما در یک منطقه فلزی با تعداد کهکشان‌های کمتر از حد متوسط زندگی می‌کنیم. اما کهکشان های زیادی نیز در جهان وجود دارند که از میانگین تعداد کهکشان ها بزرگتر هستند. در نتیجه محل زندگی ما مانند زندگی در شهری کم ارتفاع مانند لس آنجلس با کوه های دوردست است.
فرانک و بویلان کولچین معتقدند که اگر کهکشان راه شیری مثال عجیبی باشد، می تواند به توضیح برخی از اسرار ماده تاریک کمک کند. اگر در یک منطقه تکه تکه شده از جهان بودیم، می‌توانستیم بفهمیم که چرا معیارهای محلی ما از نرخ گسترش جهانی با آنچه که از یک جهان دور انتظار داریم متفاوت است.
علاوه بر این، اگر کهکشان ما در منطقه ای نامنظم از جهان باشد، می توانیم ترکیب عجیب کهکشان های ماهواره ای را ببینیم. شاید این ماهواره ها به طور خاص در کهکشان راه شیری در مدار باشند. به عبارت دیگر، اگر فضای عجیبی در اطراف کهکشان راه شیری وجود داشته باشد; یعنی نظریه ماده تاریک در حال حاضر از این چالش ها جان سالم به در برده است.
با وجود تمام فرضیه ها، شبیه سازی SIBELIUS هنوز جای پیشرفت دارد. از سوی دیگر، اگر مدل کهکشانی از متغیرهای مایع برای دنبال کردن ابرهای گازی که ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل می‌دهند استفاده کند، می‌تواند منبع بهتری باشد. بنابراین، کهکشان ها به طور طبیعی در ماده تاریک تشکیل می شوند که می تواند برای بازرسی دقیق تر ماده تاریک مفید باشد.
فرانک و تیمش می خواستند این کار را انجام دهند. با این حال، آنها به زمان بیشتری در رایانه نیاز دارند. امروزه فرانک از این شبیه سازی ها برای بررسی مشکلات اجسام تاریک سرد استفاده می کند. او گفت: “اگر این نظریه اشتباه است، من می خواهم آن را ثابت کنم.”
