Hydrodynamical simulations of the merging cluster El Gordo in a two-state self-interacting dark matter scenario

في أعماق الشبكة الكونية الشاسعة، حيث تتجمع المجرات في عناقيد ضخمة، تمسك مادة خفية تُعرف بالمادة المظلمة بكل شيء معاً. لعقود من الزمن، كانت النظرية السائدة هي أن هذه المادة غير المرئية "باردة" و"غير تصادمية"، مما يعني أن جسيماتها تمر عبر بعضها البعض مثل الأشباح، ولا تتفاعل إلا من خلال الجاذبية. ومع ذلك، تواجه هذه الرؤية القياسية صعوبة في تفسير بعض الألغاز الصغيرة في الكون، مما دفع بعض العلماء إلى اقتراح أن المادة المظلمة قد تصطدم في الواقع بنفسها، وتبادل الطاقة والزخم مثل كرات البلياردو. هذه الفكرة، المسماة المادة المظلمة ذات التفاعل الذاتي، تقدم حلاً محتملاً لتلك الألغاز الصغيرة، لكنها تخلق مشكلة جديدة: إذا كانت المادة المظلمة تصطدم بسهولة شديدة، فيجب أن تترك خلفها فجوات واضحة وقابلة للقياس بين المادة المظلمة والمجرات المرئية أثناء اصطدام عناقيد المجرات. وقد كان أحد هذه العناقيد، وهو نظام هائل وبعيد لُقب بـ "إل جوردو" (El Gordo)، يمثل صداعاً خاصاً لعلماء الفلك لأن مادته المظلمة ومجراته تبدو منفصلة بطريقة تتحدى كلاً من النظرية القياسية الشبيهة بالأشباح وأبسط نسخ نظرية التصادم.

ولحل هذا اللغز الكوني، أجرى باحث في المدرسة الدولية للدراسات المتقدمة في إيطاليا مجموعة ضخمة من المحاكاة الحاسوبية لمعرفة ما إذا كان إصدار أكثر تعقيداً من المادة المظلم ذات التفاعل الذاتي يمكن أن يفسر سلوك "إل جوردو" الغريب. تركز الدراسة على سيناريو محدد حيث توجد جسيمات المادة المظلمة في حالتين مختلفتين، تماماً كما يمكن للذرة أن تكون في حالة أرضية أو حالة مثارة. في هذا النموذج، عندما يصطدم جسيمان من المادة المظلمة، يمكنهما أحياناً امتصاص الطاقة للانتقال إلى تلك الحالة المثارة الأعلى. هذه العملية، المعروفة باسم "التشتت الصاعد الماص للحرارة" (endothermic up-scattering)، تعمل بمثابة مكبح للتصادم، مما يغير كيفية سلوك المادة المظلمة أثناء الاصطدام العنيف لعنقودي المجرات. قام الباحث ببناء توأم رقمي لـ "إل جوردو"، وهو نظام اندماجي يقع بعيداً جداً لدرجة أننا نراه كما كان قبل مليارات السنين، واختبر كيف ستجري أنواع مختلفة من تفاعلات المادة المظلمة بمرور الوقت.

كشفت عمليات المحاكاة أن نموذجاً بسيطاً حيث ترتد جسيمات المادة المظلمة عن بعضها البعض بشكل مرن لا يمكنه مطابقة ملاحظات "إل جوردو" بالكامل. وبينما يمكن لمثل هذا النموذج أن يفسر سبب انفصال المادة المظلم والهياكل المجرية، إلا أنه فشل في إعادة إنتاج الشكل الصحيح لجاذبية المادة المظلمة، المعروف باسم "ملف العدسة" (lensing profile)، وهو الطريقة التي يقيس بها علماء الفلك كتلة هذه الهياكل غير المرئية. وكان المفتاح لحل هذا الأمر هو تضمين قناة التشتت الصاعد الماصة للطاقة. أظهرت النتائج أنه عندما تمتلك جسيمات المادة المظلمة فرصة لامتصاص الطاقة أثناء التصادم، فإنها تخلق ملف كثافة يتوافق مع القياسات الواقعية بشكل أفضل بكثير. وتحديداً، وجدت عمليات المحاكاة أن أفضل مطابقة تحدث عندما يكون لمعدل التصادم المرن للمادة المظلمة حوالي 4 إلى 6 سنتيمترات مربعة لكل جرام، مقترناً بقناة غير مرنة ممتصة للطاقة تعمل بمعدل حوالي 2 إلى 4 سنتيمترات مربعة لكل جرام، ولكن فقط عندما تتحرك الجسيمات بسرعات تتراوح بين 1,200 و1,600 كيلومتر في الثانية.

تشير هذه النتائج إلى أن الاصطدام الفريد عالي السرعة لـ "إل جوردو"، حيث يبتعد العنقودان بسرعة تزيد عن 2,000 كيلومتر في الثانية، يوفر الظروف المثالية لحدوث هذا النوع المحدد من تفاعل المادة المظلمة. نجحت عمليات المحاكاة في إعادة إنتاج شكل الأشعة السينية المزدوج الذي يميز العنقود، والإزاحات المحددة بين المادة المظلمة والغاز الساخن والمجرات. ومع ذلك، يلاحظ المؤلف بحذر أن هذا الاستنتاج حساس للغاية للقياسات الدقيقة لكتلة العنقود والمسافة بين الجزأين المتصادمين. فإذا أظهرت الملاحظات المستقبلية أن العنقيد الأساسي أخف بكثير مما يُعتقد حالياً، أو أن الجزأين أبعد عن بعضهما، فقد لا يعود هذا النموذج المحدد للتفاعل الذاتي ملائماً للبيانات. تجادل الدراسة أساساً بأنه بينما تفشل نظرية "الشبح" القياسية في تفسير الانفصال، وتفشل نظريات "الارتداد" البسيطة في اختبار العدسة، فإن المادة المظلمة ذات الحالتين التي يمكنها امتصاص الطاقة أثناء التصادمات عالية السرعة تقدم تفسيراً مقنعاً، وإن كان معقداً، لسلوك هذا العملاق الكوني.

في نهاية المطاف، يسلط هذا العمل الضوء على أن طبيعة المادة المظلمة قد تعتمد بشكل كبير على طاقة البيئة التي تسكنها. ويقترح الباحث أن الملاحظات المستقبلية لعناقيد الاندماج الضخمة وعالية السرعة الأخرى ستكون العامل الحاسم في تأكيد ما إذا كان سيناريو الحالتين هذا هو الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة أم أنه مجرد خدعة محاكاة ذكية. لا تدعي الدراسة أنها حلت لغز المادة المظلمة نهائياً، لكنها تقدم إطاراً قوياً وقابلاً للاختبار يجسّر الفجوة بين الملاحظات المتضاربة، مما يوفر مساراً للمضي قدماً لعلماء الفلك للتمييز بين النظريات المختلفة للسقالات غير المرئية للكون.