منذ "العصر الذهبي للنسبية العامة" في ستينيات القرن الماضي ، أكد العلماء أن معظم الكون يتكون من كتلة غير مرئية غامضة تعرف باسم "المادة المظلمة". منذ ذلك الحين ، حاول العلماء حل هذا اللغز من خلال نهج ذي شقين. من ناحية ، حاول علماء الفيزياء الفلكية العثور على جسيم مرشح يمكن أن يفسر هذه الكتلة.
من ناحية أخرى ، حاول علماء الفيزياء الفلكية إيجاد أساس نظري يمكن أن يفسر سلوك المادة المظلمة. حتى الآن ، تمحور الجدل حول مسألة ما إذا كان الجو "حارًا" أو "باردًا" ، مع الاستمتاع بالبرد بسبب بساطته النسبية. ومع ذلك ، فقد أجريت دراسة جديدة بقيادة مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (CfA).
كان هذا مبنيًا على المحاكاة الكونية لتكوين المجرة باستخدام نموذج الكون الذي تضمن المادة المظلمة التفاعلية. وقد أجرى المحاكاة فريق دولي من الباحثين من CfA ، ومعهد Kavli للفيزياء الفلكية وبحوث الفضاء التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومعهد لايبنيز للفيزياء الفلكية بوتسدام ، وجامعات متعددة. ظهرت الدراسة مؤخرا في الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
عندما يتعلق الأمر بها مباشرة ، يتم تسمية Dark Matter بشكل مناسب. بالنسبة للمبتدئين ، فإنها تشكل حوالي 84 ٪ من كتلة الكون ولكنها لا تصدر أو تمتص أو تعكس الضوء أو أي شكل آخر من أشكال الإشعاع المعروفة. ثانيًا ، ليس لديها شحنة كهرومغناطيسية ولا تتفاعل مع مادة أخرى إلا من خلال الجاذبية ، أضعف القوى الأساسية الأربع.
ثالثًا ، لا تتكون من ذرات أو لبناتها المعتادة (أي الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات) ، مما يساهم في طبيعتها الغامضة. نتيجة لذلك ، يعتقد العلماء أنه يجب أن يتكون من نوع جديد من المادة التي تتوافق مع قوانين الكون ولكنها لا تظهر في أبحاث فيزياء الجسيمات التقليدية.
بغض النظر عن طبيعتها الحقيقية ، كان للمادة المظلمة تأثير عميق على تطور الكون منذ حوالي مليار سنة بعد الانفجار العظيم فصاعدًا. في الواقع ، يعتقد أنها لعبت دورًا رئيسيًا في كل شيء بدءًا من تكوين المجرات إلى توزيع إشعاع الخلفية الكونية الميكروية (CMB).
علاوة على ذلك ، فإن النماذج الكونية التي تأخذ في الاعتبار الدور الذي تلعبه المادة المظلمة مدعومة بملاحظات هذين النوعين المختلفين للغاية من الهياكل الكونية. كما أنها تتوافق مع المعلمات الكونية مثل معدل تمدد الكون ، والذي يتأثر في حد ذاته بقوة غامضة وغير مرئية (تعرف باسم "الطاقة المظلمة").
في الوقت الحالي ، تفترض معظم النماذج المقبولة على نطاق واسع للمادة المظلمة أنها لا تتفاعل مع أي أنواع أخرى من المواد أو الإشعاع (بما في ذلك نفسها) خارج نطاق تأثير الجاذبية - أي أنها "باردة". هذا ما يُعرف باسم سيناريو المادة المظلمة الباردة (CDM) ، والذي غالبًا ما يقترن بنظرية الطاقة المظلمة (التي تمثلها لامدا) في شكل نموذج كوزمولوجي LCDM.
ويشار إلى هذا الشكل النظري للمادة المظلمة أيضًا
"[CDM] هو النموذج الأكثر اختبارًا والأفضل. هذا في المقام الأول لأنه على مدى العقود الأربعة الماضية أو نحو ذلك ، كان الناس يعملون بجد لوضع تنبؤات باستخدام المادة المظلمة الباردة كنموذج قياسي - ثم تتم مقارنتها بالبيانات الحقيقية - مع اكتشاف أن هذا النموذج بشكل عام قادر على إعادة إنتاج مجموعة واسعة من الظواهر المرصودة عبر مجموعة واسعة من المقاييس. "
كما يصفها ، أصبح سيناريو المادة المظلمة الباردة هو المرشح الأول بعد إجراء المحاكاة العددية للتطور الكوني باستخدام "المادة المظلمة الساخنة" - في هذه الحالة ، النيوترينو. هذه هي الجسيمات دون الذرية التي تشبه إلى حد كبير
وأضاف بوز: "لقد أظهرت هذه المحاكاة أن التوزيعات المتوقعة لا تبدو كما يفعل الكون اليوم". لهذا السبب ، بدأ النظر في الحد المعاكس ، وهي الجسيمات التي بالكاد لها أي سرعة عند ولادتها (المعروفة أيضًا باسم "البرد"). المحاكاة التي تضمنت هذا المرشح تناسب الملاحظات الحديثة للكون بشكل أوثق.
"بعد إجراء نفس اختبارات تجميع المجرات كما كان من قبل ، وجد علماء الفلك اتفاقًا مذهلاً بين الأكوان المحاكية والمرصد. في العقود اللاحقة ، تم اختبار الجسيمات الباردة من خلال اختبارات أكثر صرامة وغير تافهة من مجرد تجميع المجرات ، وقد اجتاز كل منها بشكل عام بألوان متطايرة. "
مصدر آخر للجاذبية هو حقيقة أن المادة المظلمة الباردة (نظريًا على الأقل) يجب أن تكون قابلة للكشف إما بشكل مباشر أو غير مباشر. ومع ذلك ، هذا هو المكان الذي تواجه فيه آلية التنمية النظيفة مشاكل حيث فشلت جميع محاولات الكشف عن جسيم واحد حتى الآن. على هذا النحو ، أخذ علماء الكون في الاعتبار المرشحين الآخرين المحتملين الذين سيكون لديهم مستويات أصغر من التفاعل مع مادة أخرى.
هذا ما سعى Sownak Bose ، الفلكي في CfA ، لتحديده مع فريق الباحثين. من أجل دراستهم ، ركزوا على مرشح المادة الحارة "الحارة". سيكون لهذا النوع من الجسيمات القدرة على التفاعل بمهارة مع الجسيمات الخفيفة للغاية التي تقترب من سرعة الضوء ، على الرغم من أنها أقل من الصنف "الساخن" الأكثر تفاعلية.
على وجه الخصوص ، يمكن أن يكون قادرًا على التفاعل مع النيوترينو ، المرشح السابق لسيناريو HDM. يُعتقد أن النيوترينوات كانت سائدة جدًا خلال الكون الحار المبكر ، لذلك كان لوجود المادة المظلمة المتفاعلة تأثير قوي.
قال الدكتور بوز: "في هذه الفئة من النماذج ، يُسمح لجسيم المادة المظلمة أن يكون لها تفاعل محدود (ولكن ضعيف) مع الأنواع المشعة مثل الفوتونات أو النيوترينوات". "هذا الاقتران يترك بصمة فريدة إلى حد ما في" تكتل "الكون في العصور المبكرة ، وهو أمر مختلف تمامًا عما يمكن توقعه إذا كانت المادة المظلمة جسيمات باردة."
لاختبار ذلك ، أجرى الفريق عمليات محاكاة كونية حديثة في مرافق الحوسبة الفائقة في هارفارد وجامعة أيسلندا. نظرت هذه المحاكاة في كيفية تأثر تكوين المجرات بوجود كل من المادة الدافئة والظلام من حوالي 1 مليار بعد الانفجار العظيم إلى 14 مليار سنة (تقريبًا الحاضر). قال الدكتور بوز:
"[W] أجرت عمليات محاكاة للكمبيوتر لتوليد إدراك لما قد يبدو عليه هذا الكون بعد 14 مليار سنة من التطور. بالإضافة إلى نمذجة مكون المادة المظلمة ، قمنا أيضًا بتضمين أحدث الوصفات الطبية لتكوين النجوم ، وتأثيرات المستعرات الأعظمية والثقوب السوداء ، وتشكيل المعادن إلخ.”
ثم قارن الفريق النتائج مع بعضها البعض لتحديد التوقيعات المميزة التي تميز الواحد عن الآخر. ما وجدوه هو أنه بالنسبة للعديد من عمليات المحاكاة ، كانت تأثيرات هذه المادة المظلمة التفاعلية صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها. ومع ذلك ، كانت موجودة في بعض الطرق المتميزة ، لا سيما في الطريقة التي يتم بها توزيع المجرات البعيدة في جميع أنحاء الفضاء.
هذه الملاحظة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنه يمكن اختبارها في المستقبل باستخدام أدوات الجيل التالي. وأوضح الدكتور بوز أن "طريقة القيام بذلك هي رسم كتلة الكون في هذه الأوقات المبكرة من خلال النظر في توزيع غاز الهيدروجين". "من الناحية الملاحظة ، هذه تقنية راسخة: يمكننا تحري هيدروجين محايد في الكون المبكر من خلال النظر في أطياف المجرات البعيدة (عادة الكوازارات)".
باختصار ، الضوء الذي يسافر إلينا من المجرات البعيدة يجب أن يمر عبر الوسط بين المجرات. إذا كان هناك الكثير من الهيدروجين المحايد في الوسط المتداخل ، فسيتم امتصاص خطوط الانبعاث من المجرة جزئيًا ، بينما لن يتم إعاقتها إذا كان هناك القليل. إذا كانت المادة المظلمة باردة حقًا ، فسوف تظهر في شكل توزيع أكثر "كتلة" من غاز الهيدروجين ، في حين سينتج سيناريو WDM عن تتأرجح كتل.
في الوقت الحالي ، لا تملك الأدوات الفلكية الدقة اللازمة لقياس تذبذبات غاز الهيدروجين في الكون المبكر. ولكن كما أوضح دكتور بوز ، فإن هذا البحث يمكن أن يوفر قوة دفع للتجارب الجديدة والمرافق الجديدة التي ستكون قادرة على إجراء هذه الملاحظات.
على سبيل المثال ، صك الأشعة تحت الحمراء مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) يمكن استخدامها لإنشاء خرائط جديدة لتوزيع امتصاص غاز الهيدروجين. ستكون هذه الخرائط قادرة على تأكيد تأثير المادة المظلمة التفاعلية أو استبعادها كمرشح. ومن المؤمل أيضًا أن يلهم هذا البحث الأشخاص في التفكير في مرشحين بخلاف أولئك الذين تم بحثهم بالفعل.
وقال دكتور بوس إن القيمة الحقيقية تأتي في النهاية من حقيقة أن هذه الأنواع من التنبؤات النظرية يمكن أن تحفز الملاحظات إلى حدود جديدة وتختبر حدود ما نعتقد أننا نعرفه. وأضاف: "هذا كل ما هو العلم حقًا" ، "توقع ، اقتراح طريقة لاختباره ، وأداء التجربة ، ثم تقييد / استبعاد النظرية!"
