🏂🏿 ✡️ 💫 ما هي درجة حرارة المادة المظلمة؟ ☣️ 🌑 💯

الحقيقة لم تسير جنبًا إلى جنب مع معجزة. الحقيقة تحتقر مساعدة المعجزات. تتزامن الحقيقة مع أي حقيقة أخرى في الكون ، وبهذه الطريقة يمكن للمرء أن يعرف ما إذا كانت حقيقة أم لا. لن تتزامن الكذبة مع أي شيء سوى كذبة أخرى.
- روبرت جرين إنجرسول

واحدة من أكثر الحقائق المدهشة عن الكون هي أنه معروف! يمكن أن تقودنا بضعة قوانين وخصائص وجسيمات أساسية ، على حد علمنا ، من عالم ساخن وكثيف ومتجانس تقريبًا إلى نظام معقد من مليارات النجوم في مليارات المجرات التي نلاحظها.

واحدة من أكثر النتائج إثارة للدهشة ، ولكن أيضًا الأكثر موثوقية لدراسة الكون هي أن المادة المظلمة ، وهي شكل من المادة لا يتفاعل مع الضوء أو الذرات أو نفسها ، باستثناء تفاعل الجاذبية ، ليس موجودًا فحسب ، بل يسود أيضًا على عدد الذرات خمس مرات!

تؤدي كمية كبيرة من الأدلة إلى هذا الاستنتاج ، وأفضلها تقلبات في الإشعاع CMB

وتوزيع المجرات - المعروفة باسم الهياكل على نطاق واسع - في جميع أنحاء الكون.

ما نود القيام به بعد ذلك هو معرفة كيفية إنشاء و / أو اكتشاف المادة المظلمة من أجل فهم ما هي.

لسوء الحظ ، لأنها لا تتفاعل مع المادة العادية ، إلا من خلال الجاذبية ، والجاذبية أضعف من مرة واحدة كل 10³⁰ ، من التفاعلات المعروفة الأخرى ، لم نتمكن من القيام بذلك حتى الآن. لكن أحد الأسئلة التي يمكننا طرحها والإجابة عنها من خلال الملاحظة هو ما هي الطاقة الحركية للمادة المظلمة بالنسبة لكتلتها.

تقلبات CMB مستقلة تمامًا عن هذا. يمكن أن تتحرك المادة المظلمة بسرعات نسبية فائقة ، أو لا تتحرك على الإطلاق ، ولن تتغير هذه التقلبات على الإطلاق.

لكن أشياء كثيرة حساسة لسرعة المادة المظلمة. كمثال ، فكر في الأمر على أنه جزيئات داخل الكرة.

إذا تحركت الجزيئات بسرعة ، فهذا يعني درجة حرارة عالية ، وتعرض الكرة لضغط من الداخل ، ونتيجة لذلك تصبح كبيرة ، ويصبح الغاز في الكرة نادرًا.

من ناحية أخرى ، إذا تحركت الجزيئات ببطء ، فهذا يتوافق مع درجة حرارة منخفضة ، يكون ضغط الكرة في الداخل صغيرًا ، ويصبح صغيرًا ، ويصبح الغاز الموجود بداخله كثيفًا.

لكن هذا القياس لا يمكن تطبيقه على المادة المظلمة تمامًا. تتصادم الجزيئات العادية مع بعضها البعض ومع سطح الكرة. تطير المادة المظلمة ببساطة بالسرعة التي لها في الكون الآخذ في الاتساع. يمكن أن تتحرك ببطء بما يكفي للمساهمة في انهيار الجاذبية للأجسام (وتكوين النجوم والمجرات والعناقيد ، وما إلى ذلك) ، أو التحرك بسرعة ، مما يجعل من الصعب تكوينها.

دعونا ننظر إلى ماضي الكون لتوضيح هذه القضية.

سنرى العديد من الهياكل التي تفرض قيودًا على درجة الحرارة أو سرعة المادة المظلمة. في عالم يبلغ عمره مئات الملايين من السنين ، لن نجد فقط المجرات أو النجوم الزائفة ، على الرغم من أن وجودها مهم للغاية.

سوف نجد على نطاق أصغر الجزيئات المنهارة من الهيدروجين البدائي شديدة الكثافة والبرودة. نظرًا لعمق الخطوط الصغيرة وعرضها على الرسوم البيانية - خطوط امتصاص القطع الباردة من الهيدروجين في أوائل الكون - يمكننا تحديد سرعة حركة المادة المظلمة.

لذا يمكننا رفض فكرة المادة المظلمة الساخنة ، ومعظمها نوع من النيوترينو النسبي العادي للكتلة الصغيرة. لكن يمكننا محاكاة درجات حرارة مختلفة من المادة المظلمة - ساخنة ، باردة ، أو شيء متوسط ، ونلقي نظرة على التنبؤات التي تم الحصول عليها.

من الأعلى إلى الأسفل - نماذج من المادة المظلمة الباردة والساخنة والساخنة.

وهنا تبدأ المتعة. يعطي HM البارد والدافئ نتائج تتوافق بشكل عام مع ملاحظات الهياكل ذات المقاييس الصغيرة والكبيرة. على نطاق مئات الآلاف من السنوات الضوئية وما فوقها ، يشكل هذان النوعان من HM هياكل لا يمكن تمييزها تقريبًا. ولكن على نطاق أصغر ، لا يتجاوز مجرة كبيرة واحدة ، هناك اختلافات واضحة للغاية.

للمحاكاة ، يمكنك دراسة المجرات الفردية وإعادة توزيع المواد المظلمة فيها. تتزامن تنبؤات نظرية TM الباردة مع الخطوط العليا الأربعة ، التي يصعب التوفيق بينها وبين الملاحظات. يعمل النموذج المتساوي الحرارة (الخط السفلي) دائمًا بشكل أفضل ، ولكن لا يوجد مرشحين مناسبين للجسيمات من بينهم (وبالنسبة لـ TM البارد ، هناك WIMPs ، axions ومجموعة من المرشحين الآخرين).

لكن علماء الفلك اعتقدوا منذ فترة طويلة أن TM الدافئ يناسب بشكل أفضل. فضل الفيزيائيون تقنية TM الباردة ، لأنه سيكون من الأسهل اكتشافها - هذا هو المكان الذي تتركز فيه جهود معظم المشاريع ، بما في ذلك CDMS و XENON و Edelweiss و LHC.

ولكن هناك سر طويل موجود منذ فترة طويلة. على مقياس المجرات الفردية مثل مجرتنا درب التبانة ، تتوقع TM الباردة عددًا كبيرًا من المجرات الساتلية المتكتلة. وعلى الرغم من وجود الكثير منهم في مجموعتنا المحلية ، إلا أنه لا يزال ليس بالعدد المطلوب.

كارلوس فرينك من جامعة دورهام - والحرف F في ملف NFW مأخوذ من اسمه الأخير - على مدى السنوات القليلة الماضية ، عمل على مجموعة من محاكاة TM الحساسة للغاية وتكوين الهيكل ، مما أدى إلى نتائج مهمة للغاية.

يعمل دافئ TM! المجرات القزمة حول درب التبانة ليست كثيفة وليست بالقدر الذي تتطلبه نظرية TM الباردة ، لكن نتائج محاكاة TM الدافئة الدافئة تتزامن مع الملاحظات!

هذا مثير للدهشة بشكل خاص لأنه يمكننا مقارنة تأثيرات HM الباردة والدافئة على نطاق واسع ، حيث كانت ملاحظاتنا دقيقة للغاية منذ فترة طويلة.

هم نفس الشيء! على نطاق واسع ، يعطي HM البارد والدافئ نتائج متطابقة للمجموعات. هذا رائع ، لأنه هنا تتوافق نظريتنا بشكل أفضل مع الملاحظات!

وعلى نطاق أصغر؟

TM الدافئة تعمل بشكل أفضل. ولكن إذا كانت العلامة التجارية الدافئة هي الحل للغز الفلكي ، فماذا يعني هذا بالنسبة للفيزياء؟

هذا يعني أننا لن نجدها حيث ننظر الآن. ربما هذه هي النيوترينوهات المعقمة. النوع الرابع من النيوترينو ، لا يتزاوج مع الآخرين بالطريقة التي اعتدنا عليها؟ ربما هذا نوع جديد من الجسيمات لم نفكر فيه من قبل؟ ربما يكون هذا شيئًا مثل المحور ، فقط ولد ليس باردًا (كما تتوقع النظرية القياسية) ، أو ساخنًا (على شكل بقايا حرارية) ، لكنه دافئ ، بفضل نوع جديد من التفاعل أو الاقتران؟

ومع ذلك ، فقد حان الوقت لإعادة فتح الباب أمام TM دافئة ، بدلاً من رفض هذه الفكرة بسبب نقص الجسيمات المرشحة المناسبة. لا تكذب الجاذبية وتشكيل الهياكل ، لذا دعونا نستمع لما يخبرونا به!

ما هي درجة حرارة المادة المظلمة؟

More articles: