بررسی جدید حلقه‌های اینشتین در اطراف کهکشانهای دور ما را به حل بحث ماده تاریک نزدیک کرد!!

تصاویر متعددی از یک تصویر پس زمینه ایجاد شده توسط لنز گرانشی را می‌توان در سیستم HS 0810+2554 مشاهده کرد. اعتبار: تلسکوپ فضایی هابل / ناسا / ESA

فیزیکدانان بر این باورند که بیشتر مواد موجود در کیهان از یک ماده نامرئی تشکیل شده است که ما فقط با تأثیرات غیرمستقیم آن بر ستارگان و کهکشان‌هایی می‌شناسیم که می‌توانیم آن را ببینیم.

ما دیوانه نیستیم! بدون این “ماده تاریک”، جهان آنطور معنی ندارد که ما می‌بینیم.

اما ماهیت ماده تاریک یک معمای دیرینه است. با این حال، یک مطالعه جدید توسط آلفرد امروت در دانشگاه هنگ کنگ و همکارانش، از خمش گرانشی نور استفاده می‌کند تا ما را یک گام به درک این ماده نزدیکتر کند.

نامرئی اما در همه جا حاضر است

دلیل اینکه ما فکر می‌کنیم ماده تاریک وجود دارد این است که می‌توانیم اثرات گرانش آن را در رفتار کهکشانها ببینیم. به طور خاص، به نظر می‌رسد ماده تاریک حدود 85 درصد از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد و بیشتر کهکشان‌های دوردستی که می‌بینیم به نظر می‌رسد توسط هاله‌ای از این ماده مرموز احاطه شده‌اند.

اما این ماده تاریک نامیده می‌شود زیرا نور از خود ساطع نمی‌کند، آن را جذب یا بازتاب نمی‌کند که این امر تشخیص آن را بسیار دشوار می‌کند.

ما فکر می‌کنیم که باید نوعی ذره بنیادی ناشناخته باشد، اما فراتر از آن مطمئن نیستیم. تمام تلاش‌ها برای شناسایی ذرات ماده تاریک در آزمایش‌های آزمایشگاهی تاکنون شکست خورده است و فیزیکدانان دهه‌ها درباره ماهیت آن بحث کرده‌اند.

دانشمندان دو نامزد فرضی پیشرو برای ماده تاریک پیشنهاد کرده‌اند: کاراکترهای نسبتاً سنگین به نام ذرات سنگین با تعامل ضعیف (یا WIMP) و ذرات بسیار سبک وزن به نام اکسیون. در تئوری، WIMP ها مانند ذرات گسسته رفتار می‌کنند، در حالی که اکسیون‌ها به دلیل تداخل کوانتومی، بسیار بیشتر شبیه امواج رفتار می‌کنند.

تمایز بین این دو احتمال دشوار بوده است – اما اکنون نور خمیده به دور کهکشان‌های دور سرنخی را ارائه کرده است.

عدسی گرانشی و حلقه‌های اینشتین

هنگامی که نوری که در جهان حرکت می‌کند از یک جسم پرجرم مانند کهکشان عبور می‌کند، مسیر آن خم می شود زیرا – طبق نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین – گرانش جسم پرجرم فضا و زمان را در اطراف خود منحرف می‌کند.

در نتیجه، گاهی اوقات وقتی به یک کهکشان دور نگاه می‌کنیم، می‌توانیم تصاویر مخدوش شده از کهکشانهای دیگر را در پشت آن ببینیم. و اگر همه چیز کاملاً در یک راستا قرار گیرند، نور کهکشان پس زمینه به صورت دایره‌ای در اطراف کهکشان نزدیکتر پخش می‌شود.

این انحراف نور “عدسی گرانشی” نامیده می‌شود و دایره‌هایی که می‌تواند ایجاد کند “حلقه‌های اینشتین” نامیده می‌شود.

با مطالعه چگونگی انحراف حلقه‌ها یا سایر تصاویر عدسی، ستاره‌شناسان می‌توانند در مورد خواص هاله ماده تاریک اطراف کهکشان نزدیکتر بیاموزند.

اکسیون در مقابل WIMP

و این دقیقاً همان کاری است که امروت و تیمش در مطالعه جدید خود انجام داده‌اند. آنها به چندین سیستم نگاه کردند که در آن چندین نسخه از یک شی پس‌زمینه در اطراف کهکشان عدسی گرانشی پیش‌زمینه قابل مشاهده بود (با تمرکز ویژه روی یکی به نام HS 0810+2554).

با استفاده از مدل‌سازی دقیق، آن‌ها دریافتند که اگر ماده تاریک از WIMP ساخته شده باشد، در مقابل اگر ماده تاریک از اکسیونها ساخته می‌شود، چگونه تحریف می‌شوند. مدل WIMP شباهت زیادی به مدل واقعی نداشت، اما مدل اکسیون تمام ویژگی‌های سیستم را به دقت بازتولید کرد.

نتایج نشان می‌دهد که آکسیون‌ها کاندیدای محتمل‌تری برای ماده تاریک هستند و توانایی آن‌ها در توضیح ناهنجاری‌های عدسی و سایر مشاهدات اخترفیزیکی دانشمندان را به هیجان آورده است.

ذرات و کهکشان‌ها

تحقیقات جدید بر پایه مطالعات قبلی استوار است که به آکسیونها به عنوان محتملتر ماده تاریک اشاره کرده‌اند. به عنوان مثال، یک مطالعه به اثرات ماده تاریک آکسیون بر پس زمینه مایکروویو کیهانی پرداخت، در حالی که مطالعه دیگری رفتار ماده تاریک را در کهکشان‌های کوتوله بررسی کرد.

اگرچه این تحقیق هنوز به بحث علمی در مورد ماهیت ماده تاریک پایان نمی‌دهد، اما راه‌های جدیدی را برای آزمایش باز می‌کند. به عنوان مثال، مشاهدات عدسی گرانشی آینده می‌تواند برای کاوش ماهیت موج مانند اکسیونها و اندازه گیری بالقوه جرم آنها استفاده شود.

درک بهتر ماده تاریک پیامدهایی برای دانسته‌های ما در مورد فیزیک ذرات و جهان اولیه خواهد داشت. همچنین می‌تواند به ما در درک بهتر چگونگی شکل گیری و تغییر کهکشان‌ها در طول زمان کمک کند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

New look at ‘Einstein rings’ around distant galaxies just got us closer to solving the dark matter debate

by Rossana Ruggeri, The Conversation APRIL 21, 2023

https://phys.org/news/2023-04-einstein-distant-galaxies-closer-dark.html