آیا بالاخره ماده تاریک مرموز را کشف کرده‌ایم؟ پژوهشگران هنوز شک دارند

تلسکوپ فرمی ناسا در اعماق مرکز کهکشان راه‌شیری، با تابشی غیرمنتظره روبه‌رو شده که می‌تواند کلید حل معمای ماده تاریک و انقلابی در نجوم باشد.

کد خبر: ۸۹۷۵۵۰

تاریخ: ۰۹ آذر ۱۴۰۴ - ۱۶:۱۹

زومیت: تلسکوپ فرمی ناسا در اعماق مرکز کهکشان راه‌شیری، با تابشی غیرمنتظره روبه‌رو شده که می‌تواند کلید حل معمای ماده تاریک و انقلابی در نجوم باشد.

مطالعه‌ای تازه احتمال می‌دهد تلسکوپ فرمی ناسا شاید برای نخستین بار موفق به مشاهده‌ی نشانه‌هایی از ماده تاریک شده باشد؛ عنصری نامرئی و رازآلود که بخش عمده ماده جهان را تشکیل می‌دهد و از دهه‌ها پیش ذهن فیزیکدان‌ها را درگیر کرده است. با‌این‌حال، پژوهشگران از جمله نویسنده‌ی مطالعه، تأکید می‌کنند که برای تفسیر دقیق کشف باید پژوهش‌های بیشتری انجام شود.

تلسکوپ فضایی فرمی ناسا که برای مطالعه‌ی طول‌موج‌های بسیار پرانرژی نور موسوم به پرتوهای گاما طراحی شده، به‌تازگی تابشی را در مرکز کهکشان راه‌شیری ثبت کرده که ممکن است با ذرات مرتبط با ماده تاریک در ارتباط باشد.

تامونوری توتانی، استاد نجوم در دانشگاه توکیو و تنها نویسنده‌ی مطالعه، در بیانیه‌ای اعلام کرد: «اگر نتیجه درست باشد، تا جایی که من اطلاع دارم، نخستین بار است که بشر ماده تاریک را عملاً می‌بیند.» او در عین حال تأکید می‌کند که این سیگنال باید به‌طور مستقل تأیید شود؛ نه فقط در راه‌شیری، بلکه «در سایر اجرام یا نواحی» با ویژگی‌های مشابه.

شان تولین، فیزیکدان نظری و استادیار دانشگاه یورک تورنتو نیز در گفت‌وگو با لایوساینس تأکید کرده که علاقمند است تحلیل مستقلی از داده‌ها انجام شود؛ زیرا ادعاهای مشابه قبلاً هم براساس داده‌های فرمی مطرح شده‌اند. یکی از نمونه‌های مشهور آن، «مازاد مرکز کهکشانی» است؛ نوری مرموز در محدوده پرتوهای گاما که نخستین بار در سال ۲۰۰۹ با داده‌های فرمی کشف شد. پس از نزدیک به دو دهه پژوهش، هنوز مشخص نیست این تابش اضافی ناشی از ماده تاریک است یا پدیده‌های معمول‌تر نجومی مانند تپ‌اخترها، یعنی ستاره‌هایی با چرخش بسیار سریع.

ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف در کیهان

ماده تاریک، ماده‌ای غیرنورانی و عمدتاً ناشناخته است که تصور می‌شود بیشتر ماده جهان را تشکیل می‌دهد. این ماده تنها از طریق اثرات گرانشی خود بر سایر اجرام ردیابی‌پذیر بوده است. برای مثال، فریتس زویکی، اخترشناس، در مقاله‌ای بنیادین در سال ۱۹۳۳ نشان داد که سرعت گردش کهکشان‌های دوردست بسیار بیشتر از چیزی است که با جرم مشاهده‌پذیر توضیح داده شود و همین اختلاف نشان می‌دهد که باید نیروی گرانشی ماده تاریک در پس این رفتار پنهان باشد.

«اگر سیگنال مشاهده‌شده واقعاً از ماده تاریک باشد، کشفی خارق‌العاده است»

فرضیه‌های مختلفی درباره ماهیت ماده تاریک مطرح شده، اما بسیاری از اخترشناسان امروز معتقدند این ماده از ذرات زیراتمی ساخته شده است. پژوهش توتانی بر یکی از مشهورترین گزینه‌ها، یعنی ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف یا WIMP، متمرکز است.

ذرات WIMP خارج از «مدل استاندارد» فیزیک ذرات قرار می‌گیرند؛ مدلی که با موفقیت رفتار بیشتر ذرات شناخته‌شده را توضیح می‌دهد، اما وجود ماده تاریک و نیروی گرانش را در بر نمی‌گیرد. این ذرات سنگین‌تر از پروتون هستند و به‌سختی با ماده معمولی برهم‌کنش می‌کنند. با‌این‌حال، زمانی که دو WIMP به یکدیگر برخورد می‌کنند، از بین می‌روند و در جریان این برخورد پرانرژی، ذرات تازه‌ای زاده می‌شود؛ از جمله فوتون‌های پرتو گاما.

ماده تاریک؛ وجود دارد یا خیر؟

پژوهش‌های متعدد با هدف یافتن پرتوهای گامای حاصل از برخورد ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف، مرکز کهکشان راه‌شیری را هدف قرار داده‌اند؛ منطقه‌ای که انتظار می‌رود تراکم ماده تاریک در آن بالا باشد. داده‌های ۱۵ سال رصد تلسکوپ فرمی نشان می‌دهد تابش‌های گاما «در ساختاری هاله‌ای‌شکل در جهت مرکز کهکشان راه‌شیری» دیده می‌شود که «با شکل هاله ماده تاریک» تطابق دارد.

این پرتوهای گاما شدت بالایی دارند و انرژی فوتون آنها به حدود ۲۰ گیگاالکترون‌ولت (۲۰ میلیارد الکترون‌ولت) می‌رسد. طبق بیانیه‌ی منتشرشده، این مقدار انرژی «با تابش پیش‌بینی‌شده از نابودی WIMPهای فرضی» و همچنین بسامد مورد انتظار برای این نابودی همخوانی دارد.

با‌این‌وجود، شان تولین هشدار می‌دهد که این سیگنال تنها وقتی دیده می‌شود که پس‌زمینه همه منابع فوتون‌های پرانرژی راه‌شیری حذف شود؛ از جمله تابش‌های مرکز کهکشان، تابش‌های صفحه کهکشانی و همچنین انرژی گسترده‌ای که از «حباب‌های فرمی» می‌آید؛ دو ساختار عظیم از گاز و پرتوهای کیهانی که بالای راه‌شیری قرار دارند.

تمام مطالعاتی که قصد بررسی پرتوهای پرانرژی راه‌شیری را دارند، باید این نویز پس‌زمینه را مدل‌سازی و سپس حذف کنند تا سیگنال واقعی آشکار شود. تولین توضیح می‌دهد: «نتیجه‌ای که از سیگنال می‌گیرید کاملاً وابسته است به اینکه چه چیز را از پس‌زمینه حذف کرده‌اید. اگر اشتباه حذف کنید، احتمال فریب‌خوردن وجود دارد.»

علاوه بر مسئله پس‌زمینه، نوع سیگنال ممکن است به مدل ذره ماده تاریک نیز وابسته باشد. تولین می‌گوید: «مسئله این است که مدل این ذره چیست؟ جرمش چقدر است؟ چه ویژگی‌های بنیادی دارد؟ چه نوع برهم‌کنش‌هایی انجام می‌دهد؟» با‌این‌حال، او توضیح می‌دهد که مدل استاندارد نابودی WIMP «توضیحی قابل قبول» برای سیگنالی است که توتانی گزارش کرده؛ البته به شرطی که فرضیات مدل درست باشند و پس‌زمینه نیز به‌طور دقیق حذف شده باشد.

تولین می‌افزاید: «اگر این سیگنال واقعاً از ماده تاریک باشد، کشفی خارق‌العاده است؛‌ زیرا این نوع ذرات می‌توانند در انواع آزمایش‌های دیگر، از آزمایشگاه‌های زیرزمینی گرفته تا برخورددهنده‌های ذرات آشکارسازی شوند.»

با‌این‌حال، تولین در پایان خاطرنشان می‌کند: «هیچ‌کس حاضر نیست روی اینکه این‌بار بالاخره نتیجه درست است، شرط سنگین ببندد. ما ناهنجاری‌های زیادی دیده‌ایم؛ بعضی می‌آیند و می‌روند و بعضی هم باقی می‌مانند و هنوز نیازمند پژوهش بیشتر هستند.»