28 اکتبر 2020 توسط Instituto de Astrofísica de Canarias
عکسها نمایشی از ماده تاریک در دو کهکشان که بر روی رایانه شبیه سازی شده است. تنها تفاوت آنها در ماهیت ماده تاریک است. بدون برخورد در تصویر سمت چپ و با برخورد در تصویر سمت راست. این کار نشان می دهد ماده تاریک در کهکشان های واقعی بیشتر به تصویر سمت راست شباهت دارد و دارای پراکنده گی کم تر از تصویر سمت چپ است. این دایره پایان کهکشان را مشخص می کند.
نیروی گرانش ، در جهانی که براثرآن بصورت تقریباً یکنواخت در انفجار بزرگ تکامل یافته است ، تا کنون ، زمانی که ماده در کهکشان ها ، ستارگان و سیارات متمرکز شده است ، توسط آنچه “ماده تاریک” نامیده می شود تأمین می شود. اما علی رغم نقش اساسی که این ماده بازی می کند ، ما تقریباً چیزی در مورد ماهیت ، رفتار و ترکیب آن نمی دانیم ، که یکی از مشکلات اساسی فیزیک مدرن است. در مقاله اخیر در Astronomy & Astrophysics Letters ، دانشمندان در Instituto de Astrofísica de Canarias ( IAC) / دانشگاه لا لاگونا (ULL) و دانشگاه ملی شمال غربی استان بوینس آیرس (جونین ، آرژانتین) نشان داده اند که ماده تاریک کهکشان ها از توزیع “حداکثر آنتروپی” پیروی می کند ، که روشن می کند ماده تاریک 85٪ ماده جهان را تشکیل می دهد ، اما وجود آن فقط در مقیاس های نجومی نشان داده می شود. به عبارت دیگر ، به دلیل فعل و انفعال ضعیف ، اثر خالص فقط زمانی قابل مشاهده است که به مقدار زیادی وجود داشته باشد. از آنجا که به سختی خنک می شود ، ساختارهای تشکیل شده معمولاً بسیار بزرگتر از سیارات و ستاره ها هستند. و از آنجا که وجود ماده تاریک فقط در مقیاس های بزرگ نشان داده می شود ، کشف ماهیت آن احتمالاً باید توسط مطالعات اخترفیزیکی انجام شود.
حداکثر آنتروپی
اینکه بگوییم توزیع ماده تاریک منطبق با حداکثر آنتروپی (که معادل “حداکثر بی نظمی” یا “تعادل ترمودینامیکی” است) سازمان یافته است ، به این معنی است که در محتمل ترین حالت خود یافت می شود. برای رسیدن به این “حداکثر اختلال” ، ماده تاریک باید مانند خود مولکولهای گاز برخورد کند تا به تعادلی برسد که در آن چگالی ، فشار و دما مربوط به آن حالت باشد. با این حال ، ما نمی دانیم که ماده تاریک چگونه به این نوع تعادل رسیده است.
خورخه سانچز آلمیدا ، که نویسنده مقاله است می گوید: “به عنوان مثال ، برخلاف مولکول های موجود در هوا ، به علت اینکه عملکرد گرانشی ضعیف است ، ذرات ماده تاریک به سختی می توانند با یکدیگر برخورد کنند ، بنابراین مکانیسم رسیدن آنها به تعادل یک رمز و راز است.”. وی می افزاید: “اما اگر آنها با یكدیگر برخورد كنند ، این امر طبیعت بسیار ویژه ای به آنها می بخشد ، كه تا حدی رمز و راز منشا آنها را حل می كند.”
حداکثر آنتروپی ماده تاریک در کهکشانهای کوتوله کشف شده است ، که نسبت ماده تاریک به ماده کل آنها در مقایسه با کهکشانهای پرجرم بیشتر است ، بنابراین مشاهده تأثیر در آنها آسان تر است. با این حال ، محققان انتظار دارند که این یک رفتار عمومی در انواع کهکشان ها باشد.
این مطالعه نشان می دهد که توزیع ماده در تعادل ترمودینامیکی دارای تراکم مرکزی بسیار کمتری است که اخترشناسان برای بسیاری از کاربردهای عملی ، مانند تفسیر صحیح لنزهای گرانشی ، یا هنگام طراحی آزمایشات برای تشخیص ماده تاریک بر اثر خود نابودی ، تصور کرده اند.
این تراکم مرکزی برای تفسیر صحیح انحنای نور توسط عدسی های گرانشی امری اساسی است: اگر تراکم کمتری داشته باشد ، تأثیر عدسی کمتر است. استفاده از عدسی گرانشی برای اندازه گیری جرم کهکشان ، به مدل نیاز دارد ، اگر این مدل تغییر کند ، اندازه گیری تغییر می کند.
چگالی مرکزی برای آزمایشهایی که سعی دارند ماده تاریک را با استفاده از خود تخریبی آن تشخیص دهند نیز بسیار مهم است. دو ذره ماده تاریک می توانند در فرآیندی با هم تعامل نموده و ناپدید شوند که بسیار غیرممکن است ، اما از ویژگی های ماهیت آنهاست. برای تعامل دو ذره باید با هم برخورد کنند. احتمال این برخورد به تراکم ماده تاریک بستگی دارد. هرچه غلظت ماده تاریک بیشتر باشد ، احتمال برخورد ذرات بیشتر است.
سانچز آلمیدا می گوید: به همین دلیل ، اگر چگالی تغییر کند ، میزان تولید مورد انتظار برای از بین بردن خود نیز تغییر خواهد کرد ، و با توجه به اینکه آزمایشات بر اساس پیش بینی یک نرخ معین طراحی شده است ، اگر این میزان بسیار کم بود ، آزمایش بعید است نتیجه مثبت بدهد.
سرانجام ، تعادل ترمودینامیکی ماده تاریک همچنین می تواند مشخصات روشنایی کهکشان ها را توضیح دهد. این روشنایی با فاصله از مرکز یک کهکشان به روشی خاص ، که منشا فیزیکی آن مشخص نیست ، کاهش می یابد ، اما محققان در تلاشند نشان دهند که این نتیجه یک تعادل با حداکثر آنتروپی است.
شبیه سازی در مقابل مشاهده
تراکم ماده تاریک در مراکز کهکشان ها برای چندین دهه معما بوده است. بین پیش بینی های شبیه سازی (تراکم بالا) و آنچه مشاهده می شود (مقدار کم) اختلاف زیادی وجود دارد. ستاره شناسان انواع مختلفی از مکانیسم ها را برای حل این اختلاف عمده مطرح کرده اند.
در این مقاله ، محققان با استفاده از اصول اولیه فیزیکی نشان داده اند که مشاهدات را می توان با این فرض که ماده تاریک در حالت تعادل است تولید کرد ، یعنی حداکثر آنتروپی را دارد. عواقب این نتیجه می تواند بسیار مهم باشد زیرا آنها نشان می دهد که ماده تاریک انرژی را با خود و / یا با ماده “طبیعی” (باریونیک) باقی مانده عوض کرده است.
ایگناسیو تروژیلو ، پیشنهاد می کند: “این واقعیت که در چنین مدت کوتاهی به تعادل رسیده است ، در مقایسه با سن جهان ، می تواند نتیجه یک نوع فعل و انفعال بین ماده تاریک و ماده طبیعی باشد.” “ماهیت دقیق این مکانیسم باید بررسی شود ، اما درک اینکه این جز ءکه بر کل ماده در جهان غلبه دارد ، نتایج آن می تواند جذاب باشد.”
