کیهان کمی گرمتر از آن چیزی است که باید باشد!!

تحقیقات جدید ادعا می‌کند که ابرهای گازی بین کهکشانی کمی داغ‌تر از آن چیزی هستند که باید باشند، و ذرات نظری به نام «فوتون‌های تاریک» می‌توانند آن را توضیح دهند.

کهکشانی با مخزن بزرگی از ماده تاریک (روکش بنفش) در مرکز آن. (اعتبار تصویر: ناسا گوددارد)

مشاهدات نشان می‌دهد که گاز بین کهکشانی در جهان ما کمی داغتر از آنچه است که باید باشد.

اخیراً، تیمی از اخترفیزیکدانان از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیچیده برای ارائه راه‌حلی رادیکال استفاده کرده‌اند: شکل عجیبی از ماده تاریک که به نام «فوتون‌های تاریک» شناخته می‌شود، می‌تواند مکان را گرم کند.

این ذرات عجیب ناقل نیروی پنجم و جدید طبیعت هستند که ماده معمولی آن را تجربه نمی‌کند، اما گاهی اوقات این فوتون‌های تاریک می‌توانند هویت خود را تغییر دهند و به فوتون‌های منظم تبدیل شوند و منبع گرما باشند.

احساس بی‌طرفی

ما می‌توانیم چنین فوتون‌های تیره‌ای را با مشاهده گاز بین کهکشانی با استفاده از چیزی پیدا کنیم که به عنوان جنگل لیمان-آلفا شناخته می‌شود. وقتی نور را از یک جرم دوردست و درخشان، مانند یک کوازار (اجرای درخشانی که توسط سیاهچاله‌ها در مرکز کهکشان‌های دور کار می‌کنند) مشاهده می‌کنیم، یک سری شکاف در طیف نور صاف آن جرم دوردست وجود دارد.

دلیلش این است: آن نور باید از میان بیلیونها سال نوری گاز عبور کند تا به ما برسد. گاهی اوقات این نور از یک دسته نسبتاً متراکم هیدروژن خنثی عبور می‌کند – نوعی هیدروژن که از یک پروتون و یک نوترون تشکیل شده است و در ابرهای گازی در سراسر جهان نفوذ می‌کند.

بیشتر آن نور بدون تأثیر از آن عبور می‌کند، اما طول موج بسیار خاصی از نور جذب می‌شود. این طول موج مربوط به اختلاف انرژی مورد نیاز برای ضربه زدن یک الکترون از سطح انرژی اول به دومین سطح آن در داخل اتم‌های هیدروژن است.

وقتی اخترشناسان به نوری نگاه می‌کنند که از آن جسم می‌آید، به جز شکافی در طول موج آن انتقال انرژی خاص، که به خط لیمان-آلفا معروف است، غیرقابل توجه به نظر می‌رسد.

نور جسم دور از ابرهای متعدد و توده‌های هیدروژن خنثی عبور می‌کند. انبساط کیهان باعث می‌شود که شکاف‌ها به طول‌موج‌های مختلف منتقل شوند، و یک شکاف جدید با طول موج متفاوتی بسته به فاصله تا ابرهای گازی خاص ظاهر می‌شود. نتیجه نهایی مجموعه‌ای از خطوط و شکاف در طیف می‌باشد.

از این شکافهای لیمان ـ آلفا می‌توان برای اندازه‌گیری دمای هر ابر گازی نیز استفاده کرد. اگر هیدروژن خنثی کاملاً ساکن بود، شکاف به صورت یک خط فوق‌العاده نازک ظاهر می‌شد. اما اگر تک تک مولکولها در حال حرکت باشند، به دلیل انرژی جنبشی آن مولکولها، شکاف بیشتر می‌شود. هر چه گاز داغ تر باشد، انرژی جنبشی مولکولها بیشتر است و شکاف بیشتر می‌شود.

تیمی از اخترفیزیکدانان اشاره کرده‌اند که با استفاده از این روش، به نظر می‌رسد ابرهای گازی که بین کهکشان‌ها پراکنده می‌شوند کمی بیش از حد داغ هستند. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از تکامل این ابرهای گازی پیش‌بینی می‌کنند که آنها فقط کمی سردتر از آنچه ما مشاهده می‌کنیم، هستند، و بنابراین شاید چیزی در حال گرم کردن آن ابرها باشد که در حال حاضر در شبیه‌سازی‌های اخترفیزیکی ما به حساب نمی‌آیند.

نویسندگان مطالعه ادعا می‌کنند که یکی از توضیح‌های احتمالی برای این اختلاف وجود “فوتون‌های تاریک” در جهان ما است. این یک شکل بسیار فرضی از ماده تاریک است، ماده مرموز و نامرئی که تقریباً 80 درصد از کل جرم جهان را تشکیل می‌دهد، اما به نظر نمی‌رسد با نور تعامل داشته باشد.

در این مدل، به جای اینکه ماده تاریک از ذرات نامرئی ساخته شود (مثلاً مانند یک نسخه فانتومی از الکترون‌ها)، در عوض از نوع جدیدی از حامل نیرو ساخته خواهد شد: یعنی نوعی ذره که واسطه برهمکنش بین ذرات دیگر می‌باشد.

تاریکی گرم و مبهم

فوتون آشنا حامل نیروی الکترومغناطیس است – این همان چیزی است که الکتریسیته، مغناطیس و نور ایجاد می کند. فوتونهای تاریک حامل نیرو برای نیروی جدیدی از طبیعت هستند که در مقیاسهای معمول در سناریوهای معمولی عمل نمی‌کند (مثلاً در آزمایشگاههای ما یا در منظومه شمسی، جایی که در غیر این صورت قبلاً آن را مشاهده می‌کردیم).

به گفته نویسندگان مطالعه، فوتون‌های تاریک هنوز هم جرم کمی دارند و از این رو می‌توانند عامل ماده تاریک باشند. به علاوه، از آنجایی که آنها حامل نیرو هستند، ممکن است بین خود و با سایر ذرات ماده تاریک بالقوه تعامل داشته باشند. در مدلهای بررسی شده توسط تیم اخترفیزیکدان، فوتون‌های تاریک قادر به یک ترفند دیگر هستند: آنها می‌توانند گهگاه به یک فوتون معمولی تبدیل شوند.

از نظر فیزیک، فوتون‌های تاریک می‌توانند با فوتون‌های معمولی ترکیب شوند و به ندرت هویت‌ها را عوض می‌کنند. وقتی آنها انجام می دهند، فوتون تازه ایجاد شده همان کاری را انجام می‌دهد که فوتون‌های معمولی همیشه انجام می‌دهند: چیزها را گرم می‌کند. محققان اولین شبیه‌سازی تکامل کیهان را انجام دادند. آنها دریافتند که ترکیب خاصی از جرم فوتون تیره و احتمال تبدیل شدن به یک فوتون معمولی می‌تواند اختلاف گرمایی را توضیح دهد.

این نتیجه برای وجود فوتون‌های تاریک بسیار دور از یک مورد slam-dunk است. طیف وسیعی از احتمالات نیز می‌تواند نتایج لیمان ـ آلفا را توضیح دهد، مانند مشاهدات نادرست یا درک ضعیف از گرمایش اخترفیزیکی (عادی) بین کهکشانها. اما این یک سرنخ جالب است و نتایج می‌تواند به عنوان سکوی پرشی برای ادامه کاوش در مورد قابلیت این ایده عجیب و غریب استفاده شود.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

The universe is slightly hotter than it should be. ‘Dark photons’ could be to blame.

By Paul Sutter

https://www.space.com/dark-matter-dark-photons