اتم‌های ماده تاریک ممکن است کهکشان‌های سایه‌ای با ستاره‌زایی سریع تشکیل دهند!!

در شبیه‌سازی‌های جدید، «اتم‌های تاریک» ستاره‌های تاریکی را تشکیل دادند و حتی می‌توانستند باعث تشکیل سیاه‌چاله‌ها شوند.

این تصویر ترکیبی توزیع ماده تاریک، کهکشان‌ها و گاز داغ را در هسته خوشه کهکشانی Abell 520 نشان می‌دهد که از برخورد شدید خوشه‌های کهکشانی پرجرم تشکیل شده است. ترکیب رنگ‌های آبی و سبز در مرکز تصویر نشان می‌دهد که توده‌ای از ماده تاریک در نزدیکی بیشتر گاز داغ قرار دارد، جایی که تعداد کمی کهکشان در آن یافت می‌شوند. (اعتبار تصویر: NASA، ESA، CFHT، CXO، M.J. Jee (دانشگاه کالیفرنیا، دیویس)، و A. مهدوی (دانشگاه ایالتی سانفرانسیسکو))

یک شبیه‌سازی جدید نشان می‌دهد که ماده تاریک، ماده نامرئی که اکثریت عظیم جرم جهان را تشکیل می‌دهد، ممکن است خود را جمع کند و اتم‌ها را تشکیل دهد.

«اتم‌های تاریک» ممکن است تکامل کهکشان‌ها و شکل‌گیری ستارگان را به‌طور اساسی تغییر دهند و به ستاره‌شناسان فرصت جدیدی برای درک این ماده اسرارآمیز بدهند.

ماده تاریک بیش از 80 درصد از جرم هر کهکشان و خوشه کهکشانی در جهان را تشکیل می دهد. همه مشاهدات ما نشان می‌دهد که ماده تاریک نوعی ذره جدید است، ذره‌ای که با ماده معمولی یا حتی با نور برهمکنش ندارد. ما می‌توانیم ماده تاریک را تنها از طریق برهمکنش‌های گرانشی آن با هر چیز دیگری شناسایی کنیم. ماده تاریک هر چه باشد، فراتر از درک فعلی ما از فیزیک است. اما هنوز جرم دارد، بنابراین هنوز گرانش دارد.

ما هنوز نمی‌دانیم که ماده تاریک ساده است یا پیچیده. ممکن است فقط از یک نوع ذره ساخته شده باشد که بر جهان مسلط است و حتی با خودش به سختی برهم کنش دارد. یا ممکن است از چندین نوع ذرات ساخته شده باشد، با تنوع غنی که در ماده معمولی می‌بینیم. فراتر از آن، ما تنها چهار نیروی اساسی طبیعت را می‌شناسیم: گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف. اما ممکن است نیروهای اضافی وجود داشته باشند که فقط در بین ذرات ماده تاریک عمل کنند و به هیچ وجه با ماده عادی تداخل نداشته باشند.

دور هم جمع شدن

مفهوم ذرات ماده تاریک اضافی و نیروهای تاریک آنقدرها هم که به نظر می‌رسد دور از ذهن نیست. درک ما از فیزیک مبتنی بر تقارن است که روابط عمیق ریاضی بین ذرات است. به‌خوبی ممکن است که تقارن‌های اضافی در قوانین طبیعت وجود داشته باشد که ماده تاریک را دوقلوی ماده عادی می‌سازد و برای هر نوع برهمکنشی که ماده عادی می‌تواند در آن شرکت کند، مشابهی در بخش تاریک وجود دارد.

به عنوان مثال، با ماده معمولی، می‌توانیم اتم‌های ساده بسازیم: یک پروتون و یک الکترون به هم متصل شده‌اند، با فوتون، حامل نیروی الکترومغناطیسی، واسطه برهمکنش. ما همچنین می‌توانیم یک نسخه ماده تاریک از همان ساختار داشته باشیم، با یک پروتون تاریک که از طریق فوتون‌های تاریک به الکترون‌های تاریک متصل است: اتم‌های تاریک.

رفتار ماده تاریک اتمی بسیار متفاوت از ماده تاریکی است که فقط از یک ذره تشکیل شده است. مهمتر از همه، تجمع ماده تاریک ساده زمان بسیار دشواری خواهد داشت، فقط در طول صدها میلیون سال این کار به آرامی انجام می‌شود. ماده عادی در آن حوضچه‌های هموار ماده تاریک جمع می‌شود تا کهکشان‌ها را تشکیل دهند، اما در غیر این صورت، این دو زندگی جداگانه‌ای دارند. با این حال، ماده تاریک اتمی می‌تواند کهکشان‌های سایه‌دار خود را تشکیل دهد – ساختارهای دیسک مانندی که اندازه و طرح کهکشان‌های مرئی را تقلید می‌کنند.

گروهی از اخترفیزیکدانان از این امکان جالب برای شبیه‌سازی تکامل کهکشان‌ها و مشاهده این موضوع استفاده کردند که چه تفاوتهای قابل مشاهده‌ای ممکن است رخ دهد. آنها به ماده تاریک اتمی اجازه دادند تا مطابق با نیروهای خود تکامل یابد و سپس بررسی کردند که چگونه آن ساختارهای جدید از طریق آرایش جدید گرانش بر کهکشان‌های مرئی تأثیر می‌گذارد. آنها نتایج خود را در پایگاه داده پیش چاپ آنلاین arXiv در ماه آوریل منتشر کردند.

خرابکاری ستاره‌ای

محققان دریافتند که حتی مقدار کمی از ماده تاریک اتمی – به اندازه 6٪ از کل ماده تاریک در جهان، که بقیه را ساده نگه می‌دارد – برای تغییر اساسی تکامل کهکشان‌ها کافی است. از آنجایی که ماده تاریک اتمی می‌تواند برهم کنش داشته باشد، می‌تواند به راحتی با از دست دادن انرژی از طریق گسیل نوعی تشعشع تاریک به هم متصل شود. شبیه‌سازی‌ها نشان داد که یک “دیسک تاریک” به سرعت در هر کهکشان ظاهر شد، با چرخش دیسک که تقریباً با چرخش اجزای مرئی و عادی مطابقت دارد.

از آنجا، ماده تاریک اتمی به توده شدن ادامه داد، درست مانند توده‌های گاز معمولی در ابرها و در نهایت ستاره‌ها. در این شبیه‌سازی، ماده تاریک اتمی ستاره‌های تاریک خود را تشکیل داد و حتی می‌توانست سیاهچاله‌های خود را به وجود بیاورد. آن توده‌ها سپس در هسته کهکشان فرو رفتند، جایی که چگالی افزایش یافت.

با آن همه گرانش اضافی، تشکیل ستاره در هسته کهکشان‌ها بیش از حد شروع شد و ستاره‌هایی با سرعت بسیار بیشتری نسبت به کهکشان‌هایی با ماده تاریک ساده تولید کرد. این شبیه‌سازی‌ها در واقع برخی از مدل‌های ماده تاریک اتمی را رد می‌کرد، زیرا این مدل‌ها باعث می‌شد که کهکشان‌های آن‌ها مواد جدیدی را برای ساختن ستاره‌ها خیلی سریع تمام کنند.

اما برخی از مدل‌ها از محدودیت‌های رصدی فعلی جان سالم به در بردند و امکان ادامه ماده تاریک اتمی را فراهم کردند. محققان امیدوارند که مطالعات تئوری و تجربی بیشتر، معقول بودن این شکل جذاب از ماده عجیب و غریب را روشن کند. به عنوان مثال، از آنجایی که ماده تاریک اتمی بسیار کارآمد است، ممکن است بتوانیم توده‌های متراکم و ستاره مانند را با مطالعات میکرولنزینگ گرانشی آتی با تلسکوپ فضایی رومن گریس نانسی ناسا شناسایی کنیم.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Dark matter atoms may form shadowy galaxies with rapid star formation

By Paul Sutter

https://www.space.com/dark-matter-atoms-form-stars-galaxies-simulations