لطالما كان التأثير الذي تحدثه الجسيمات دون الذرية التي لا كتلة تقريبًا والتي تسمى النيوترينوات على تكوين المجرات لغزًا كونيًا – وهو ما سعى الفيزيائيون إلى قياسه منذ اكتشاف الجسيمات في عام 1956.
لكن فريقًا بحثيًا دوليًا يضم معهد كافلي للفيزياء والرياضيات في الكون (Kavli IPMU) الباحث الرئيسي ناوكي يوشيدا ، وهو أيضًا أستاذ في قسم الفيزياء بجامعة طوكيو ، ابتكر محاكاة كونية تصور بدقة دور النيوترينوات في تطور الكون. تم نشر دراستهم مؤخرًا في مجلة الفيزياء الفلكية.
يقول الدكتور شون سايتو ، عالم الكونيات بجامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا (ميسوري إس آند تي) ، وهو أستاذ مساعد في الفيزياء وباحث في الفريق ، إن العمل يمثل علامة فارقة في عملية محاكاة تكوين بنية الكون. سايتو هو أيضًا عالم مشارك زائر في Kavli IPMU.
استخدم الفريق نظام المعادلات التفاضلية المعروفة باسم معادلات فلاسوف-بواسون لشرح كيفية تحرك النيوترينوات عبر الكون بقيم مختلفة مخصصة لكتلتها.
الشكل 1: توزيع كثافة النيوترينوات (يسار) والمادة المظلمة (يمين) في البنية الكونية واسعة النطاق. بينما تتحرك النيوترينوات بسرعة وتبدو منتشرة ، فإن توزيع المادة المظلمة يؤلف شبكات كونية مثل البنية الخيطية. الائتمان: KAVLI IPMU
تمثل هذه التقنية بدقة وظيفة توزيع سرعة النيوترينوات وتتبع تطورها بمرور الوقت. ثم قام الباحثون بفحص تأثيرات النيوترينوات على تكوين المجرات وتطورها.
وأظهرت النتائج التي توصلوا إليها أن النيوترينوات تثبط تجمُّع المادة المظلمة ـ الكتلة غير المحددة في الكون ـ وكذلك المجرات. ووجدوا أن المناطق الغنية بالنيوترينو مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بمجموعات المجرات الضخمة ، وأن درجة الحرارة الفعالة للنيوترينوات تختلف اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على كتلة النيوترينو.
يقول الباحثون إن أكثر التجارب صرامة المستخدمة لتقدير كتلة النيوترينو هي الملاحظات الكونية ، ولكن لا يمكن الاعتماد عليها إلا إذا كانت تنبؤات المحاكاة دقيقة.
الشكل 2: تتنبأ محاكاة Vlasov-Poisson للباحثين (على اليسار) بتوزيع كثافة النيوترينوات بشكل أكثر سلاسة وأقل ضوضاءً مقارنةً بمحاكاة الجسيمات N-body التقليدية لتفاعل الجاذبية النيوتوني (يمين). الائتمان: KAVLI IPMU
يقول الدكتور كوجي يوشيكاوا من مركز العلوم الحاسوبية في جامعة تسوكوبا والمؤلف الرئيسي للدراسة: “بشكل عام ، تتوافق نتائجنا مع كل من التوقعات النظرية ونتائج عمليات المحاكاة السابقة”. “من المطمئن أن نتائج مناهج المحاكاة المختلفة تمامًا تتفق مع بعضها البعض.”
يقول سايتو من Missouri S&T: “عمليات المحاكاة لدينا مهمة لأنها تضع قيودًا على الكمية غير المعروفة من كتلة النيوترينو”. “النيوترينوات هي أخف الجسيمات التي نعرفها. لقد تعلمنا مؤخرًا فقط أن النيوترينوات تمتلك كتلة من الاكتشاف الوارد في جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2015 “.
منحت هذه الجائزة اثنين من العلماء ، بما في ذلك Kavli IPMU الباحث الرئيسي تاكاكي كاجيتا ، وهو أيضًا مدير معهد أبحاث الأشعة الكونية بجامعة طوكيو ، لاكتشافاتهما المنفصلة التي يمكن أن يتحول فيها نوع واحد من النيوترينو إلى نوع آخر ، مما أظهر أن النيوترينوات لديها كتلة.
يقول سايتو: “قد يؤدي عملنا في النهاية إلى تحديد قوي لكتلة النيوترينو”.
كان الدكتور ساتوشي تاناكا ، زميل ما بعد الدكتوراه في معهد يوكاوا للفيزياء النظرية بجامعة كيوتو ، العضو الرابع في الدراسة بعنوان “محاكاة فلاسوف-بواسون الكونية لتشكيل البنية باستخدام نيوترينوات الأثر: التجميع غير الخطي وكتلة النيوترينو”.
المرجع: “محاكاة Vlasov-Poisson الكونية لتكوين البنية باستخدام نيوترينوات متبقية: التجميع غير الخطي وكتلة النيوترينو” بقلم كوجي يوشيكاوا ، ساتوشي تاناكا ، ناوكي يوشيدا وشون سايتو ، 30 نوفمبر 2020 ، مجلة الفيزياء الفلكية.
DOI: 10.3847 / 1538-4357 / abbd46
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”