تشير دراسة جديدة إلى أن “حزمة من الأعاصير المجهرية” ربما أعطت الكون بنيته

يشير عمل نظري جديد إلى أن المادة المظلمة غير المرئية في الكون قد تدور في كتل دوارة مزينة بعدد لا يحصى من الدوامات الصغيرة.

النتائج نشرت في 30 مايو في المجلة المراجعة البدنية ديقدم منظورًا جديدًا للسلوك الغريب للمادة المظلمة “الخفيفة” – وهي مادة افتراضية مصنوعة من جسيمات أولية خفيفة للغاية.

في الدراسة الجديدة، استكشف الفيزيائيون ما يحدث عندما تدور هالة المادة المظلمة، وهو توقع طبيعي للمجرات الحقيقية، التي تدور عادةً أثناء تطورها. واستنادًا إلى نماذجهم النظرية وعمليات المحاكاة التفصيلية، وجد الباحثون أن هذه المادة الغريبة يمكن أن تتصرف مثل السوائل الفائقة، وتشكل نوىًا دوارة مستقرة ومترابطة بشبكات دوامية تشبه إلى حد كبير تلك التي شوهدت في التجارب المعملية.

نوع خاص من المادة المظلمة

على عكس العرض القياسي لـ المادة المظلمة كسحابة من الجسيمات الثقيلة والبطيئة بدون بنية داخلية، يركز البحث الجديد على المادة المظلمة المكونة من جسيمات أخف من جزء من المليون من كتلة الإلكترون. قد لا تطفو هذه الجسيمات بشكل سلبي في الفضاء؛ إذا تفاعلت قليلاً مع بعضها البعض من خلال قوة تنافر، فيمكنها أن تتصرف مثل السائل الكمي.

يسمح هذا السلوك الشبيه بالسوائل بتكوين “solitons” – وهي هياكل مدمجة ومتماسكة حيث تتم موازنة سحب الجاذبية إلى الداخل من خلال الضغط الخارجي الناتج عن التفاعلات الذاتية.

“السولتونات هي حلول كلاسيكية لمعادلات الحركة” فيليب براكسوقال عالم الفيزياء النظرية في جامعة باريس ساكلاي ومؤلف مشارك في الدراسة لموقع لايف ساينس: “إنها تتوافق مع التوازن الهيدروستاتيكي حيث تتم موازنة قوة الجاذبية الجذابة من خلال التفاعل الذاتي للجسيمات التنافرية، مثل الشمس إلى حد ما، والتي تكون أيضًا في حالة توازن هيدروستاتيكي.”

يمكن أن يتراوح حجم هذه السوليتونات من حجم النجوم إلى المجرات بأكملها، اعتمادًا على الكتلة غير المعروفة لجسيم المادة المظلمة. وفي الحالات الأكبر، يمكن أن تساعد في تفسير سبب ظهور مراكز المجرات بشكل أقل كثافة بالمادة المظلمة مما كان متوقعًا، وهي مشكلة طويلة الأمد في علم الكونيات.

من السحب الدوارة إلى الشبكات الدوامة

قام الباحثون بمحاكاة ما يحدث عندما تدور سحب هذه المادة المظلمة غير العادية. وكانت النتيجة مفاجئة: فبدلاً من الدوران بسلاسة مثل الإعصار أو الكرة الصلبة، طورت السوليتونات شبكة داخلية من الدوامات المجهرية.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة: “عندما تكون الظروف الأولية بحيث تدور سحابة المادة المظلمة، فإن النتيجة النهائية هي سوليتون دوار في مركز الهالة المنهارة”. باتريك فالاجيا، وأيضا من جامعة باريس ساكلاي. “يُظهر هذا السوليتون شكلًا مفلطحًا يتماشى مع محور الدوران الأولي، ويعرض دوران الجسم الصلب مدعومًا بدوامات مكممة.”

هذه الدوامات ليست مثل الرياح الدوامة أو الدوامات في الماء. بل إنها تشبه خطوط الدوامة الكمية التي تظهر في السوائل الفائقة مثل الهيليوم السائل، حيث لا يدور السائل ككل ولكن من خلال مجموعة من خيوط الغزل المنفصلة. في مركز كل دوامة، تنخفض كثافة المادة المظلمة إلى الصفر، وتصطف الدوامات معًا في نمط منتظم يشبه الشبكة.

وقال فالاجياس: “تظهر عمليات المحاكاة لدينا أن خطوط الدوامة هذه تتماشى مع الزخم الزاوي الكلي وتتبع مدارات دائرية داخل السوليتون”. “إن الدوران ليس مثل الرياح الناعمة ولكنه أشبه بحزمة من الأعاصير المجهرية مرتبة في نمط بلوري.”

إحدى الأفكار المثيرة للاهتمام التي أثارها الباحثون هي ما إذا كانت هياكل الدوامة الصغيرة هذه لها آثار على نطاقات أكبر بكثير. على وجه الخصوص، توقعوا أن بعض خطوط الدوامة قد تمتد إلى ما هو أبعد من هالة واحدة، وتربط المجرات من خلال خيوط واسعة من المجرات. الويب الكوني – المحلاق العملاق للمادة المظلمة التي تشكل بنية الكون واسعة النطاق.

وأشار براكس إلى أنه “في هذه المرحلة، فإن فكرة أن بعض خطوط الدوامة هذه يمكن أن تنضم إلى هالات مختلفة من خلال خيوط الشبكة الكونية هي فرضية”. إذا كان هذا صحيحًا، فقد يعني ذلك أن التأثيرات الكمومية في المادة المظلمة تؤثر بشكل طفيف على كيفية اصطفاف المجرات وتحركها داخل هذه الخيوط الهائلة.

إن الكشف عن مثل هذه الهياكل الدوامة سيكون أمرًا صعبًا. ونظرًا لأن المادة المظلمة لا تبعث الضوء أو تمتصه، فلا يمكن للعلماء استنتاج وجودها إلا من خلال تأثير جاذبيتها على المادة المرئية مثل النجوم والغاز.

ومع ذلك، قد تكون هناك طرق لإلقاء نظرة على آثارها. وقال براكس: “ترتبط هذه الدوامات بأحواض في كثافة المادة المظلمة”. “على هذا النحو، فإنها تطبع سمات مميزة في إمكانات الجاذبية، والتي قد تؤثر على مدارات النجوم أو السحب الغازية في المجرات مثل المجرة. درب التبانة“.

في سيناريوهات أكثر تأملية، إذا تفاعلت المادة المظلمة ولو بشكل ضعيف مع المادة العادية أو الضوء، فقد تترك الدوامات بصمات مباشرة أكثر، لكن في الوقت الحالي، يظل هذا سؤالًا مفتوحًا.

ويخطط الفريق للتحقيق فيما إذا كان من الممكن اكتشاف شبكات الدوامة المتوقعة من خلال الملاحظات الفلكية وما إذا كانت متصلة بالفعل بالخيوط الكونية التي تمتد عبر الفضاء.

في الوقت الحالي، تظل هذه الدوامات الشبحية غير مرئية، ولكن مع تقدم النظرية والتكنولوجيا، قد يجد العلماء أن الكون ليس ممتلئًا بمادة غير مرئية فحسب، بل منسوجًا بأنماط من الخيوط الكمومية الدوارة.