دانشمندان فکر میکنند که درخشش مرموز در کهکشان ما ممکن است ناشی از ماده تاریک باشد. معنای این موضوع
در مرکز کهکشان ما، یک درخشش مرموز و پخش شده از اشعههای گاما وجود دارد — اشعۀ قدرتمندی که معمولاً توسط اجرام با انرژی بالا مانند ستارگان در حال چرخش سریع یا منفجر شده منتشر میشود.
تلسکوپ فضایی فارمی ناسا که در سال ۲۰۰۸ راهاندازی شد، این درخشش را شناسایی کرد و از آن زمان، دانشمندان را متحیر کرده است و منجر به حدس و گمانهایی درباره علت آن شده است.
برخی اخترشناسان اعتقاد دارند منبع این درخشش پالسارها هستند — بقایای ستارگان منفجر شده که میچرخند — در حالی که دیگران به تصادم ذرات ماده تاریک اشاره میکنند، شکلی مرموز و نامرئی از ماده که معتقدند پنج برابر بیشتر از ماده عادی است.
مطالعات زیادی قبلاً از هر دو ایده حمایت کرده است، اما به نظر میرسید مشکلی در نظریه ماده تاریک وجود دارد: درخشش اشعۀ گاما با شکل برآمدگی کهکشان — منطقهای پرتردد و بادامی شکل در مرکز راه شیری که عمدتاً از ستارگان مسن، از جمله پالسارها تشکیل شده است — مطابقت داشت. این مشاهده به نظر میرسید که از نظریه پالسارها پشتیبانی میکند، و کارشناسان فرض میکردند اگر منبع آن ماده تاریک بود، درخشش شکل کرویتر به خود میگرفت. با این حال، اخترشناسان نتوانستهاند تعداد کافی از پالسارها را که اشعۀ گاما تولید میکنند، مشاهده کنند تا ارزیابی قطعی انجام دهند.
اکنون، شبیهسازیهای جدیدی که با استفاده از ابررایانهها انجام شده است، برای اولین بار نشان میدهد که تصادفهای ماده تاریک نیز میتواند در ایجاد درخشش به شکل برآمدگی نقش داشته باشد و بر وزن نظریه ماده تاریک بیفزاید.
«ما در وضعیتی هستیم که دو نظریه داریم، یکی مدعی ماده تاریک است و ادعا میکند که میتواند دادههایی را که میبینیم توضیح دهد، دیگری مربوط به ستارگان مسن است،» جوزف سیلک، استاد فیزیک و ستارهشناسی دانشگاه جانز هاپکینز و همنویسنده مطالعهای که یافتههای جدید را شرح میدهد و پنجشنبه در مجله فیزیک ریویو لترز منتشر شد، گفت.
«در این مرحله، ۵۰٪ احتمال دارد که این موضوع مربوط به ماده تاریک باشد، در مقابل توضیح کمی سادهتر مربوط به ستارگان مسن،» او افزود.
شاهدی بر وجود ماده تاریک میتواند کشف بزرگی باشد. فریتز زویکی، اخترشناس سوئیسی، اولین فرضیه وجود ماده تاریک را در دهه ۱۹۳۰ مطرح کرد، و اخترشناسان آمریکایی ورا روبین و دبلیو کنت فورد آن را در دهه ۱۹۷۰ تأیید کردند. آنان متوجه شدند که ستارگانی که در لبههای کهکشانهای مارپیچی حرکت میکنند، خیلی سریعتر از آن هستند که تنها بر اثر ماده مرئی و گرانش نگه داشته شوند، و فرض کردند که مقدار زیادی ماده نامرئی وجود دارد که مانع پراکنده شدن آنها میشود. با وجود دههها تلاش، دانشمندان هرگز نتوانستهاند مستقیم این ماده مرموز را مشاهده کنند، به همین دلیل است که نام «ماده تاریک» به آن داده شده است.
«بدون شک، ماهیت ماده تاریک یکی از بزرگترین مشکلات برجسته در فیزیک است،» سیلک گفت. «این چیزی است که در همه جا حضور دارد — نزدیک ما، دور از ما، و ما فقط نمیدانیم چیست.»
فرضیههای زیادی درباره ماهیت ماده تاریک وجود دارد، از جمله بقایای سیاهچالههای اولیه یا نوعی ذره کشفنشده. بسیاری از تلاشها برای یافتن ماده تاریک بر روی ایده دوم تمرکز دارد، که منجر به ساخت آشکارسازهایی مانند آزمایش ماده تاریک LZ در داکوتای جنوبی شده است.
این ابزار برای شناسایی یکی از کاندیداهای اصلی ماده تاریک، ذرات فرضی به نام WIMP — ذرات سنگین کمتعامل — طراحی شده است که نور را جذب نمیکنند و میتوانند تقریباً بدون مانع از ماده عادی عبور کنند. دانشمندان معتقدند زمانی که دو WIMP با هم ملاقات میکنند، یکدیگر را از بین میبرند و اشعۀ گاما تولید میکنند، که آنها را منبع محتمل این درخشش میدانند.
مطالعه سیلک از ابررایانهها برای ایجاد نقشهای از مکانهای محتمل وجود ماده تاریک در راه شیری استفاده کرد، با در نظر گرفتن چگونگی شکلگیری اولیه کهکشان.
«مشکل این بود که تمام مدلهای ۲۰ سال گذشته درباره ماده تاریک در کهکشان ما فرض میکردند که این ماده اساساً مانند یک توپ کروی است. هیچ شکلی ندارد، چون سادهترین مدل بود،» سیلک گفت.
مشارکت ما برای اولین بار، ساخت شبیهسازی واقعی کامپیوتری توزیع ماده تاریک بود. و با کمال تعجب، دریافتیم که بخش مرکزی ماده تاریک، جایی که پرتوی گاما در حال انتشار است، در واقع فشرده شده — بیشتر شبیه شکل تخممرغی است.» این شکل فشردهشده، تطابق نزدیکی با دادههای تلسکوپ فرمی دارد، سلیک توضیح داد.
یک راز بنیادی
مطالعه کمک میکند تا امکان اینکه ماده تاریک بتواند درخشش در مرکز کهکشان ما را توضیح دهد، مجدداً بررسی شود، اگرچه شواهد مثبت جدیدی در حمایت از ماده تاریک ارائه نمیدهد، گفت تریسی سلایتر، استاد فیزیک در موسسه فناوری ماساچوست که در این مطالعه شرکت نداشت. اما او قانع نیست که بین شکل توزیع ماده تاریک و برجستگی ستارهای، تطابق قطعی وجود دارد. «من فکر میکردم فرضیه ماده تاریک هنوز منطقی است، حتی قبل از این مطالعه»، اضافه کرد.
این کار، حمایت بیشتری است از تلاش بینالمللی برای ادامه دادن در جستوجوی ویامپیها، بر اساس گفته چمکاور غاغ، استاد فیزیک و اخترفیزیک در دانشگاه کالج لندن، که او نیز در تحقیقات سلیک شرکت نکرده است. «آنها همچنان یک راهحل بسیار زیبا برای مشکل دیرینه ماده تاریک باقی ماندهاند»، غاغ از طریق ایمیل افزود، و اشاره کرد که با توسعه حتی بیشتر آشکارسازهای ویامپی، دیدن سیگنالهای این ذرات که در فضا منقرض میشوند، به معنای حل کردن پازل تقریباً یک سدهای ماده تاریک است.
نیکو کاپلووتی، استادیار فیزیک در دانشگاه میامی، گفت تلسکوپ فرمی تغییر دهنده بازی برای ناسا بوده است، و این مقاله نشان میدهد که ماده تاریک هنوز بسیار در رقابت برای توضیح درخشش عجیب در مرکز کهکشان ما است. «این راز زنده است، و این نوع راز است که دانشمندانی مانند من را شب بیدار نگه میدارد»، کاپلووتی که در این مطالعه شرکت نکرد، گفت.
پیدا کردن اینکه ماده تاریک چیست، جستوجوی علمی قرن ما بوده است، او افزود، و اشاره کرد که «ویامپیها، این ذرات فرضی، چندین سال است که مظنون اصلی ما هستند». او گفت که آزمایشها در زمین هنوز نتوانستهاند آنها را بگیرند، این موضوع ناامیدکننده است.
«اما فرمی به ما دلیلی میدهد که به باورمان ادامه دهیم. این مقاله به ما یادآوری میکند که هنوز نباید ویامپیها را از فهرست حذف کنیم — آنها ممکن است هنوز در حال تابش در مرکز کهکشان ما باشند»، کاپلووتی گفت. «و اگر این درست باشد، ما نزدیکتر از هر زمان دیگری به کشف یک راز بنیادی جهان هستیم.»
