أبحاث في معهد بيريميتر أنشأت أداة حوسبية جديدة لنمذجة المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي، معالجة فجوة في المحاكيات السابقة. تسمح هذه الابتكار بدراسات أسرع وأدق حول كيفية تأثير هذه المادة المظلمة على تشكل المجرات. العمل، المنشور في Physical Review Letters، قد يكشف رؤى حول الهياكل الكونية وأصول الثقوب السوداء.
لقرابة قرن، أثارت المادة المظلمة حيرة علماء الكونيات بسبب دورها الجاذبي غير المرئي في تشكيل المجرات وهيكل الكون على نطاق واسع. في دراسة منشورة في Physical Review Letters، يقدم جيمس غوريان، زميل ما بعد الدكتوراه في معهد بيريميتر، وسيمون ماي، الآن زميل ERC Preparative في جامعة بيلفيلد، KISS-SIDM، كودًا جديدًا لمحاكاة المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي (SIDM). تتكون SIDM من جسيمات تصطدم بشكل مرن مع بعضها البعض لكنها لا تصطدم مع المادة الباريونية العادية. يمكن لهذه التفاعلات أن تؤدي إلى انهيار جاذبي حراري في هالات المادة المظلمة — كتل هائلة تحيط بالمجرات وهي أكثر كثافة من متوسط كثافة الكون لكنها نسبيًا منتشرة. «تشكل المادة المظلمة كتلًا منتشرة نسبيًا لا تزال أكثر كثافة بكثير من متوسط كثافة الكون»، يشرح غوريان. «تعيش درب التبانة وغيرها من المجرات في هذه هالات المادة المظلمة». يشمل العملية نقل الطاقة: تنقل التفاعلات الذاتية الطاقة إلى الخارج، مسخنة ومكثفة نواة الهالة. «لديك هذه المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي التي تنقل الطاقة، وتميل إلى نقل الطاقة إلى الخارج في هذه الهالات»، يقول غوريان. «يؤدي ذلك إلى تسخين النواة الداخلية وكثافتها بشكل كبير مع نقل الطاقة إلى الخارج». مع مرور الوقت، قد يصل هذا إلى انهيار النواة، مرتبط ربما بتشكل الثقوب السوداء. فشلت المحاكيات السابقة في النطاق المتوسط بين التصادمات النادرة والمتفرقة (التي تتعامل معها طرق N-body) والكثيفة والمتكررة (مناسبة لنماذج السوائل). «لكن بالنسبة للمنتصف، لم يكن هناك طريقة جيدة»، يلاحظ غوريان. يملأ KISS-SIDM هذه الفجوة، مقدمًا دقة مع متطلبات حوسبية ضئيلة — يعمل على جهاز كمبيوتر محمول ومتاح علنًا. «سابقًا، إذا أردت التحقق من معلمات مختلفة للمادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي، كنت بحاجة إلى استخدام نموذج سائل مبسط جدًا، أو الذهاب إلى عنقود، وهو مكلف حوسبيًا. هذا الكود أسرع، ويمكنك تشغيله على جهازك المحمول»، يضيف غوريان. تكتسب الأداة أهمية من ملاحظات حديثة للمجرات تشير إلى شذوذ لا تستطيع نماذج المادة المظلمة القياسية تفسيرها. يمدح نيل دالال، عضو هيئة تدريس معهد بيريميتر، التقدم: «يجب أن يمكن ورقتهم من طيف واسع من الدراسات التي كانت غير قابلة للحل سابقًا». ومع ذلك، تظل الأسئلة قائمة، مثل نهاية الانهيار. «السؤال الأساسي هو، ما هي النهاية النهائية لهذا الانهيار؟ هذا ما نريد فعله حقًا — دراسة المرحلة بعد تشكيل ثقب أسود»، يقول غوريان. يفتح هذا التطور أبوابًا لاستكشاف دور المادة المظلمة في التطور الكوني، محتملًا إعادة تشكيل فهمنا للمجرات والثقوب السوداء.