المادة المظلمة الباردة

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

في علم الكونيات والفيزياء ، تُعدّ المادة المظلمة الباردة ( CDM ) نوعًا افتراضيًا من المادة المظلمة . ووفقًا للنموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات، نموذج لامدا-CDM ، تُشكّل المادة المظلمة حوالي 27% من الكون ، بينما تُشكّل الطاقة المظلمة 68% ، ولا تُمثّل المادة الباريونية العادية التي تُكوّن النجوم والكواكب والكائنات الحية سوى نسبة ضئيلة . تشير كلمة "باردة" إلى أن المادة المظلمة تتحرك ببطء شديد مقارنةً بسرعة الضوء ، مما يجعل معادلة حالتها تتلاشى . أما كلمة "مظلمة" فتشير إلى أنها تتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع المادة العادية والإشعاع الكهرومغناطيسي . تشمل الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف ، والثقوب السوداء البدائية ، والأكسيونات ، بالإضافة إلى معظم أنواع النيوترينوات.

تاريخ

نُشرت نظرية المادة المظلمة الباردة لأول مرة عام 1982 على يد جيمس بيبلز ؛ [ 1 ] بينما طُرحت صورة المادة المظلمة الدافئة بشكل مستقل في الوقت نفسه من قِبل ج. ريتشارد بوند ، وأليكس زالاي ، ومايكل تيرنر ؛ [ 2 ] وجورج بلومنتال ، وهـ. باجلز، وجويل بريماك . [ 3 ] وفي مقال استعراضي نُشر عام 1984 بقلم بلومنتال، وساندرا مور فابر ، وبريماك، ومارتن ريس، تم تطوير تفاصيل نظرية المادة المظلمة الباردة. [ 4 ]

تكوين البنية

في نظرية المادة المظلمة الباردة، ينمو التركيب الكوني بشكل هرمي، حيث تنهار الأجسام الصغيرة تحت تأثير جاذبيتها الذاتية أولاً، ثم تندمج في تسلسل هرمي متصل لتشكيل أجسام أكبر وأكثر كتلة. وتتفق تنبؤات نموذج المادة المظلمة الباردة عموماً مع رصد التركيب الكوني واسع النطاق .

في نموذج المادة المظلمة الساخنة ، الذي كان شائعًا في أوائل الثمانينيات ولكنه أقل شيوعًا في التسعينيات، لا يتشكل الهيكل بشكل هرمي ( من الأسفل إلى الأعلى )، ولكنه يتشكل عن طريق التجزئة ( من الأعلى إلى الأسفل )، حيث تتشكل أكبر التجمعات المجرية أولاً في صفائح مسطحة تشبه الفطائر ثم تتفتت لاحقًا إلى قطع أصغر مثل مجرتنا درب التبانة .

منذ أواخر ثمانينيات أو تسعينيات القرن الماضي، يميل معظم علماء الكونيات إلى تفضيل نظرية المادة المظلمة الباردة (وتحديدًا نموذج لامدا-سي دي إم الحديث ) لتفسير كيفية انتقال الكون من حالة أولية سلسة في مراحله المبكرة (كما يتضح من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ) إلى التوزيع غير المنتظم للمجرات وتجمعاتها الذي نراه اليوم - أي البنية واسعة النطاق للكون. وتُعد المجرات القزمة عنصرًا أساسيًا في هذه النظرية؛ إذ أنها نشأت نتيجة تقلبات الكثافة على نطاق صغير في الكون المبكر، [ 5 ] فأصبحت لبنات بناء طبيعية تُشكل هياكل أكبر.

تعبير

يتم الكشف عن المادة المظلمة من خلال تفاعلاتها الجاذبية مع المادة العادية والإشعاع. ولذلك، يصعب تحديد مكونات المادة المظلمة الباردة. وتنقسم المواد المرشحة تقريبًا إلى ثلاث فئات:

التحديات

ظهرت عدة اختلافات بين تنبؤات المادة المظلمة الباردة في نموذج ΛCDM ورصد المجرات وتجمعاتها. وقد طُرحت حلول لبعض هذه المشكلات، لكن لا يزال من غير الواضح ما إذا كان بالإمكان حلها دون التخلي عن نموذج ΛCDM. [ 15 ]

مشكلة الهالة المدببة

إن توزيعات كثافة هالات المادة المظلمة في محاكاة المادة المظلمة الباردة (على الأقل تلك التي لا تتضمن تأثير التغذية الراجعة الباريونية) تكون أكثر حدة بكثير مما يُلاحظ في المجرات من خلال دراسة منحنيات دورانها. [ 16 ]

مشكلة المجرات القزمة

تتنبأ عمليات المحاكاة للمادة المظلمة الباردة بوجود أعداد كبيرة من التجمعات الصغيرة في هالات المادة المظلمة، وبالتالي وجود العديد من المجرات القزمة المتجمعة حول المجرات الحلزونية والإهليلجية - وهي أكثر عدداً من عدد المجرات القزمة الصغيرة التي يتم رصدها حول المجرات الكبيرة مثل مجرة ​​درب التبانة . [ 17 ]

مشاكل القرص الفضائي

لوحظ أن المجرات القزمة حول مجرتي درب التبانة وأندروميدا تدور في هياكل رقيقة ومسطحة، بينما تتوقع عمليات المحاكاة أنها يجب أن تتوزع عشوائياً، في هالات كروية تقريباً حول مجراتها الأم، على غرار المدارات التي لوحظت للعناقيد الكروية . [ 18 ]

مشكلة المجرات عالية السرعة

تتحرك المجرات في تجمع NGC 3109 بعيدًا بسرعة كبيرة جدًا لا تتوافق مع التوقعات في نموذج ΛCDM. [ 19 ] في هذا الإطار، تُعد NGC 3109 ضخمة جدًا وبعيدة جدًا عن المجموعة المحلية بحيث لا يمكن أن تكون قد قُذفت في تفاعل ثلاثي يشمل مجرة ​​درب التبانة أو مجرة ​​أندروميدا . [ 20 ]

مشكلة مورفولوجيا المجرات

إذا كانت المجرات تنمو بشكل هرمي، فإن المجرات الضخمة تتطلب عمليات اندماج عديدة. وتؤدي عمليات الاندماج الكبرى حتمًا إلى تكوين انتفاخ كلاسيكي . على النقيض من ذلك، لا تُظهر حوالي 80% من المجرات المرصودة أي دليل على وجود مثل هذا الانتفاخ، وتُعد المجرات القرصية العملاقة شائعة. [ 21 ] يمكن قياس هذا التناقض من خلال مقارنة التوزيع المرصود لأشكال المجرات اليوم مع التنبؤات المستمدة من عمليات المحاكاة الكونية الهيدروديناميكية عالية الدقة في إطار نموذج ΛCDM، مما يكشف عن مشكلة بالغة الأهمية من غير المرجح حلها بتحسين دقة عمليات المحاكاة. [ 22 ] وقد ظلّت نسبة المجرات عديمة الانتفاخ عالية وثابتة تقريبًا لمدة 8  مليارات سنة. [ 23 ]

مشكلة شريط المجرة السريع

إذا كانت المجرات مغمورة داخل هالات ضخمة من المادة المظلمة الباردة، فإن القضبان التي تتشكل عادةً في مناطقها المركزية ستتباطأ بفعل الاحتكاك الديناميكي مع الهالة. وهذا يتعارض بشدة مع حقيقة أن قضبان المجرات المرصودة سريعة عادةً. [ 24 ]

أزمة صغيرة النطاق

قد تُثير مقارنة النموذج بالملاحظات بعض المشاكل على نطاقات أصغر من المجرات، إذ يُحتمل أن يتنبأ النموذج بوجود عدد كبير جدًا من المجرات القزمة وكميات كبيرة جدًا من المادة المظلمة في المناطق الداخلية للمجرات. تُعرف هذه المشكلة باسم "أزمة النطاق الصغير". [ 25 ] يصعب رصد هذه النطاقات الصغيرة في عمليات المحاكاة الحاسوبية، لذا لم يتضح بعد ما إذا كانت المشكلة تكمن في عمليات المحاكاة نفسها، أو في الخصائص غير القياسية للمادة المظلمة، أو في خطأ جوهري في النموذج.

المجرات ذات الانزياح الأحمر العالي

أسفرت عمليات الرصد التي أجراها تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن تأكيد وجود مجرات متعددة بواسطة التحليل الطيفي عند انزياح أحمر عالٍ، مثل JADES-GS-z13-0 عند انزياح أحمر كوني قدره 13.2 [ 26 ] [ 27 ] أو JADES-GS-z14-0 عند انزياح أحمر كوني قدره 14.32. يبدو أن هذا المعدل المرتفع لتكوّن المجرات الكبيرة في الكون المبكر يتعارض مع معدلات تكوّن المجرات المسموح بها في نموذج لامدا للمادة المظلمة (Lambda CDM) الحالي عبر هالات المادة المظلمة، إذ حتى لو كان تكوّن المجرات فعالاً بنسبة 100% وسُمح لجميع الكتل بالتحوّل إلى نجوم في نموذج لامدا للمادة المظلمة، فلن يكون ذلك كافياً لتكوين مجرات بهذا الحجم. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] ومع ذلك، يعتمد هذا على افتراض دالة كتلة أولية للنجوم . إذا كان تكوّن النجوم المبكر يميل نحو النجوم الضخمة، فقد يفسر ذلك هذا التناقض. [ 31 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بيبلز، بي جيه إي (ديسمبر 1982). "تقلبات درجة الحرارة والكتلة الخلفية واسعة النطاق الناتجة عن اضطرابات بدائية غير متغيرة المقياس" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 263 : L1. Bibcode : 1982ApJ...263L...1P . doi : 10.1086/183911 .
  2. ↑ بوند، جيه آر؛ زالاي، إيه إس؛ تيرنر، إم إس (1982). "تكوين المجرات في كون يهيمن عليه الجرافيتينو". رسائل المراجعة الفيزيائية . 48 (23): 1636-1639 . Bibcode : 1982PhRvL..48.1636B . doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1636 .
  3. ↑ بلومنتال، جورج ر.؛ باجيلز، هاينز؛ بريماك، جويل ر. (2 سبتمبر 1982). "تكوين المجرات بواسطة جسيمات عديمة التبديد أثقل من النيوترينوات". مجلة نيتشر . 299 (5878): 37-38 . Bibcode : 1982Natur.299...37B . doi : 10.1038/299037a0 . S2CID 4351645 . 
  4. ↑ بلومنتال، جي آر؛ فابر، إس إم؛ بريماك، جيه آر؛ ريس، إم جيه (1984). "تكوين المجرات والبنية واسعة النطاق باستخدام المادة المظلمة الباردة". نيتشر . 311 ( 517): 517-525 . Bibcode : 1984Natur.311..517B . doi : 10.1038/311517a0 . OSTI 1447148. S2CID 4324282 .  
  5. ↑ باتينيلي، ب.؛ ديمرز، س. (2005-10-06). "مجموعة نجوم C في DDO 190: 1. مقدمة" . علم الفلك والفيزياء الفلكية . 447 (2). علم الفلك والفيزياء الفلكية: 473. Bibcode : 2006A & A...447..473B . doi : 10.1051/0004-6361:20052829 . مؤرشف من الأصل في 2012-08-15 . تم الاسترجاع في 2012-08-19 . تلعب المجرات القزمة دورًا حاسمًا في سيناريو المادة المظلمة الباردة (CDM) لتكوين المجرات، حيث يُعتقد أنها اللبنات الأساسية الطبيعية التي تُبنى منها الهياكل الأكبر حجمًا من خلال عمليات الاندماج. في هذا السيناريو، تتشكل المجرات القزمة من تقلبات الكثافة صغيرة النطاق في الكون البدائي.{{cite journal}}: CS1 maint: bot: حالة عنوان URL الأصلي غير معروفة ( رابط )
  6. ↑ تيرنر، م.؛ وآخرون . (2010). "ورشة عمل أكسيونز 2010". غينزفيل، الولايات المتحدة الأمريكية: جامعة فلوريدا. 
  7. ^ سيكيفي، بيير. وآخرون . (2008). “علم الكونيات الأكسيونية”. محاضرة. ملاحظات فيز . المجلد. 741. ص 19 – 50.   
  8. 1 2 فرانشيسكا تشادها-داي؛ جون إليس؛ ديفيد جيه إي مارش (23 فبراير 2022). "المادة المظلمة الأكسيونية: ما هي ولماذا الآن؟" . مجلة ساينس أدفانسز . 8 (8) eabj3618. arXiv : 2105.01406 . Bibcode : 2022SciA....8J3618C . doi : 10.1126/ sciadv.abj3618 . PMC 8865781. PMID 35196098 .  
  9. ↑ كار، بي جيه؛ وآخرون (مايو 2010). "قيود كونية جديدة على الثقوب السوداء البدائية". مجلة Physical Review D. 81 ( 10) 104019. arXiv : 0912.5297 . Bibcode : 2010PhRvD..81j4019C . doi : 10.1103/PhysRevD.81.104019 . S2CID 118946242 .  
  10. 1 2 بيتر، AHG (2012). "المادة المظلمة: مراجعة موجزة". arXiv : 1201.3942 [ astro-ph.CO ].
  11. ↑ بيرتوني، جيانفرانكو؛ هوبر، دان؛ سيلك، جوزيف (يناير 2005). "المادة المظلمة الجسيمية: الأدلة والمرشحون والقيود". تقارير الفيزياء . 405 ( 5-6 ): 279-390 . arXiv : hep-ph/0404175 . Bibcode : 2005PhR...405..279B . doi : 10.1016/j.physrep.2004.08.031 . S2CID 118979310 . 
  12. 1 2 غاريت، كاثرين؛ دودا، جينتاراس (2011). "المادة المظلمة: مدخل تمهيدي" . التقدم في علم الفلك . 2011 968283. arXiv : 1006.2483 . Bibcode : 2011AdAst2011E...8G . doi : 10.1155/2011/968283 . S2CID 119180701. لا تُفسر الأجسام الضخمة ذات الكثافة العالية ( MACHOs) سوى نسبة ضئيلة جدًا من الكتلة غير المضيئة في مجرتنا، مما يكشف أن معظم المادة المظلمة لا يمكن أن تتركز بكثافة أو توجد على شكل أجسام فيزيائية فلكية باريونية. على الرغم من أن مسوحات العدسات الجاذبية الصغرية تستبعد وجود أجسام باريونية مثل الأقزام البنية والثقوب السوداء والنجوم النيوترونية في هالة مجرتنا، فهل يمكن لأشكال أخرى من المادة الباريونية أن تُشكل الجزء الأكبر من المادة المظلمة؟ والجواب، والمثير للدهشة، هو " لا " ...  
  13. ↑ بيرتوني، جيانفرانكو (18 نوفمبر 2010). "لحظة الحقيقة للمادة المظلمة WIMP" (ملف PDF) . مجلة Nature . 468 (7322): 389-393 . arXiv : 1011.3532 . Bibcode : 2010Natur.468..389B . doi : 10.1038/nature09509 . PMID: 21085174. S2CID : 4415912 .  
  14. 1 2 أوليف، كيث أ. (2003). "محاضرات تاسي حول المادة المظلمة". الفيزياء . 54 : 21. arXiv : astro-ph/0301505 . Bibcode : 2003astro.ph..1505O .
  15. ↑ كروبا، ب.؛ فاماي، ب.؛ دي بوير، كلاس س.؛ دابرينغهاوزن، يورغ؛ باولووسكي، مارسيل؛ بويلي، كريستيان؛ جيرجن، هيلموت؛ فوربس، دنكان؛ هينسلر، جيرهارد (2010). "اختبارات المجموعة المحلية لعلم الكونيات التوافقي للمادة المظلمة: نحو نموذج جديد لتكوين البنية". علم الفلك والفيزياء الفلكية . 523 : 32-54 . arXiv : 1006.1647 . Bibcode : 2010A & A...523A..32K . doi : 10.1051/0004-6361/201014892 . S2CID 11711780 . 
  16. ↑ جنتيلي، ج.؛ سالوتشي، ب. (2004). "التوزيع المركزي للمادة المظلمة في المجرات الحلزونية" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 351 (3): 903-922 . arXiv : astro-ph/0403154 . Bibcode : 2004MNRAS.351..903G . doi : 10.1111/j.1365-2966.2004.07836.x . S2CID 14308775 . 
  17. ↑ كليبين، أناتولي؛ كرافتسوف، أندريه ف.؛ فالينزويلا، أوكتافيو؛ برادا، فرانسيسكو (1999). "أين الأقمار المجرية المفقودة؟". مجلة الفيزياء الفلكية . 522 (1): 82-92 . arXiv : astro-ph/9901240 . Bibcode : 1999ApJ...522...82K . doi : 10.1086/307643 . S2CID 12983798 . 
  18. ↑ باولووسكي، مارسيل؛ وآخرون (2014). "لا تزال هياكل المجرات التابعة المتزامنة في المدار تتعارض مع توزيع المجرات القزمة البدائية" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 442 (3): 2362-2380 . arXiv : 1406.1799 . Bibcode : 2014MNRAS.442.2362P . doi : 10.1093/mnras/stu1005 . 
  19. ↑ بانيك، إندرانيل؛ تشاو، هـ (21 يناير 2018). "مستوى من المجرات عالية السرعة عبر المجموعة المحلية" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 473 (3): 4033-4054 . arXiv : 1701.06559 . Bibcode : 2018MNRAS.473.4033B . doi : 10.1093/mnras / stx2596 . ISSN 0035-8711 . 
  20. ↑ بانيك، إندرانيل؛ هاسلباور، موريتز؛ باولووسكي، مارسيل س.؛ فاماي، بينوا؛ كروبا، بافيل (21-06-2021). "حول غياب نظائر الارتداد الخلفي لـ NGC 3109 في إطار ΛCDM" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 503 (4): 6170-6186 . arXiv : 2105.04575 . Bibcode : 2021MNRAS.503.6170B . doi : 10.1093/mnras/stab751 . ISSN 0035-8711 . 
  21. ↑ كورميندي، ج .؛ دروري، ن.؛ بيندر، ر.؛ كورنيل، م. إ. (2010). "المجرات العملاقة عديمة الانتفاخ تتحدى تصورنا لتكوين المجرات من خلال التكتل الهرمي". المجلة الفيزيائية الفلكية . 723 (1): 54-80 . arXiv : 1009.3015 . Bibcode : 2010ApJ...723...54K . doi : 10.1088/0004-637X/723/1/54 . S2CID 119303368 . 
  22. ↑ هاسلباور، م؛ بانيك، إ؛ كروبا، ب؛ ويتنبرغ، ن؛ جافانماردي، ب (2022-02-01). "النسبة العالية من مجرات القرص الرقيق لا تزال تُشكّل تحديًا لنموذج ΛCDM الكوني" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 925 (2): 183. arXiv : 2202.01221 . Bibcode : 2022ApJ...925..183H . doi : 10.3847/1538-4357/ac46ac . ISSN 1538-4357 . 
  23. ↑ ساشديفا، س.؛ ساها، ك. (2016). "بقاء المجرات القرصية النقية على مدى الثمانية مليارات سنة الماضية" . رسائل المجلة الفيزيائية الفلكية . 820 (1): L4. arXiv : 1602.08942 . Bibcode : 2016ApJ...820L...4S . doi : 10.3847/2041-8205/820/1/L4 . S2CID 14644377 .  
  24. ↑ محمود، ر؛ غفوريان، ن؛ كاشفي، ت؛ بانيك، إ؛ هاسلباور، م؛ كومو، ف؛ فاماي، ب؛ كروبا، ب (2021-11-01). "قضبان المجرات السريعة لا تزال تتحدى علم الكونيات القياسي" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 508 (1): 926-939 . arXiv : 2106.10304 . Bibcode : 2021MNRAS.508..926R . doi : 10.1093/mnras/stab2553 . hdl : 10023/24680 . ISSN 0035-8711 . 
  25. ↑ ريني، ماتيو (2017). "ملخص: معالجة أزمة النطاق الصغير". مجلة Physical Review D. 95 ( 12) 121302. arXiv : 1703.10559 . Bibcode : 2017PhRvD..95l1302N . doi : 10.1103/PhysRevD.95.121302 . S2CID 54675159 . 
  26. ↑ سيزاري، ثاديوس (9 ديسمبر 2022). "تلسكوب جيمس ويب التابع لناسا يحقق إنجازًا جديدًا في البحث عن المجرات البعيدة" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 ديسمبر 2022 .
  27. ↑ كورتيس-ليك، إيما؛ وآخرون (27 فبراير 2023). "تأكيد طيفي لأربع مجرات فقيرة بالمعادن عند الانزياح الأحمر z=10.3–13.2". مجلة نيتشر لعلم الفلك . 7 (5): 622. arXiv : 2212.04568 . Bibcode : 2023NatAs...7..622C . doi : 10.1038/s41550-023-01918-w . 
  28. ↑ أوكالاهان، جوناثان (6 ديسمبر 2022). "علماء الفلك يواجهون صعوبة في فهم اكتشاف تلسكوب جيمس ويب الفضائي للمجرات المبكرة" . مجلة ساينتفك أمريكان . تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 ديسمبر 2022 .
  29. ↑ بهروزي، بيتر؛ كونروي، تشارلي؛ ويكسلر، ريسا هـ.؛ هيرين، أندرو؛ ويليامز، كريستينا س.؛ موستر، بنجامين ب.؛ يونغ، إل واي آرون؛ سومرفيل، راشيل س.؛ غوتلوبر، ستيفان؛ ييبس، غوستافو؛ إندزلي، رايان (ديسمبر 2020). "الكون عند الانزياح الأحمر z > 10: تنبؤات لتلسكوب جيمس ويب الفضائي من UNIVERSEMACHINE DR1" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 499 (4): 5702-5718 . arXiv : 2007.04988 . Bibcode : 2020MNRAS.499.5702B . doi : 10.1093/mnras/staa3164 .
  30. ↑ فولكر سبرينجل؛ لارس هيرنكويست (فبراير 2003). "تاريخ تكوين النجوم في كون المادة المظلمة الباردة Λ" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 339 (2): 312-334 . arXiv : astro-ph/0206395 . Bibcode : 2003MNRAS.339..312S . doi : 10.1046/j.1365-8711.2003.06207.x . S2CID 8715136 . 
  31. ↑ بويلان-كولشين، مايكل (2023). "اختبار نموذج ΛCDM تحت ظروف الإجهاد باستخدام مرشحين لمجرات ذات انزياح أحمر عالٍ" . مجلة نيتشر لعلم الفلك . 7 ( 6): 731-735 . arXiv : 2208.01611 . Bibcode : 2023NatAs...7..731B . doi : 10.1038/ s41550-023-01937-7 . PMC 10281863. PMID 37351007. S2CID 251252960 .   

للمزيد من القراءة