توفر عمليات المحاكاة الدقيقة نظرة ثاقبة حول بنية الكون

الكون مليء بالمجرات التي تعرض ، على نطاق واسع ، نمطًا خيطيًا ، يشار إليه باسم الشبكة الكونية. هذا التوزيع غير المتجانس للمادة الكونية يشبه في بعض النواحي التوت الأزرق في كعكة المافن ، مع تجمعات المواد في بعض المناطق ولكن أقل في مناطق أخرى.

استنادًا إلى سلسلة من عمليات المحاكاة ، من خلال معالجة توزيع المجرات ليس كتوزيع مستمر ولكن كمجموعة من النقاط ، مثل الجسيمات الفردية للمادة التي تشكل شيئًا ما ، بدأ الباحثون في سبر البنية غير المتجانسة للكون. تتيح لنا هذه التقنية استخدام الرياضيات المطورة لعلوم المواد لحساب الاضطراب النسبي للكون واكتساب فهم أفضل لبنيته الأساسية.

أوضح أوليفر بيلكوكس ، المؤلف المشارك للدراسة: “ما وجدناه هو أن توزيع المجرات في الكون يختلف تمامًا عن الخصائص الفيزيائية للمادة العادية ، مع توقيعها الفريد”.

تم نشر هذا العمل الآن الفحص البدني X، التي أجراها سالفاتور توركواتو ، وهو عضو دائم وزائر في معهد الدراسات المتقدمة ، وأستاذ لويس برنارد للعلوم الطبيعية في أقسام الكيمياء والفيزياء بجامعة برينستون ؛ وأوليفر بيلكوكس هو دكتوراه زائر. طالب في المعهد من سبتمبر 2020 إلى أغسطس 2022 ، وهو الآن زميل مبتدئ في جمعية سيمونز للزملاء التي استضافتها جامعة كولومبيا.

قام الزوجان بتحليل البيانات من عمليات المحاكاة العامة التي طورتها جامعة برينستون ومعهد فلاتيرون. تحتوي كل عملية من عمليات المحاكاة الألف على مليار “جسيم” من المادة المظلمة ، والتي تشكلت مجموعات منها بواسطة تطور الجاذبية ، وتعمل كوكيل للمجرات.

تتعلق إحدى النتائج الرئيسية للورقة بتفاعل أزواج المجرات التي ترتبط طوبولوجيًا ببعضها البعض من خلال وظيفة الاتصال الزوجي. بناءً على هذا – وسلسلة من التفسيرات الأخرى التي ظهرت في نظرية الوسائط غير المتجانسة – يفترض فريق البحث أنه على المقاييس الكبيرة (بترتيب عدة مئات من الميغا فرسخ) ، يقترب الكون من التوحيد المفرط ، بينما على المقاييس الصغيرة (حتى 10 ميغا فرسخ) يصبح شبه مفرط الشكل وغير متجانس بشدة.

قال توركواتو: “إن الانتقال الملحوظ بين النظام والفوضى يعتمد إلى حد كبير على الحجم”. “تقنية جورج سورا التنقيطية في اللوحة A Sunday La Grande Jatte تخلق تأثيرًا مرئيًا مشابهًا ؛ يظهر العمل غير منظم عند النظر إليه عن كثب. من حيث الكون ، فإن درجة النظام والفوضى هي دقيقة مثل اختبار Rorschach inkblot ، والذي يمكن تفسيره بعدد لا يحصى من الطرق “.

الأدوات الإحصائية ، ولا سيما التوزيعات المتجاورة ، واكتشاف المجموعات ، وتوزيعات بواسون ، وعتبات الترشيح ، ووظيفة الارتباط الزوجي ، سمحت للباحثين بتطوير إطار عمل متسق وموضوعي لقياس الترتيب. وبالتالي ، فإن نتائجهم ، عند إجرائها في سياق كوني ، تُترجم إلى العديد من الأنظمة الفيزيائية الديناميكية الأخرى.

يجمع هذا العمل متعدد التخصصات بين تقنيات من علم الكونيات وفيزياء المادة المكثفة وله آثار مستقبلية لكلا المجالين. إلى جانب توزيع المجرات ، يمكن لهذه الأدوات أن تستكشف العديد من جوانب الكون ، بما في ذلك الفراغات الكونية وفقاعات الهيدروجين المتأين المتكون خلال مرحلة إعادة تأين الكون.

على العكس من ذلك ، فإن الظواهر الجديدة التي تم اكتشافها حول الكون قد توفر نظرة ثاقبة لأنظمة المواد المختلفة على الأرض. يدرك الفريق أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل قبل أن يمكن تطبيق هذه التقنيات على البيانات الحقيقية ، ولكن هذا العمل يوفر مفهومًا قويًا مع إمكانات كبيرة.