کهکشانهای دور و ماهیت واقعی ماده تاریک
در مرکز کهکشانهای مارپیچی – آنهایی که به ما نزدیک هستند، بیلیونها سال نوری از ما فاصله دارند – یک منطقه کروی وسیع وجود دارد که از ذرات ماده تاریک تشکیل شده است. این ناحیه دو ویژگی تعیین کننده دارد: چگالی که تا شعاع خاصی ثابت است که به طرز شگفتانگیزی در طول زمان منبسط میشود، در حالی که چگالی کاهش مییابد. اعتبار: گوری شارما
در مرکز کهکشانهای مارپیچی – آنهایی که به ما نزدیک هستند، بیلیونها سال نوری از ما فاصله دارند – یک منطقه کروی وسیع وجود دارد که از ذرات ماده تاریک تشکیل شده است. این ناحیه دو ویژگی تعیین کننده دارد: چگالی که تا شعاع خاصی ثابت است که به طرز شگفتانگیزی در طول زمان منبسط میشود، در حالی که چگالی کاهش مییابد. این امر نشان دهنده وجود یک برهمکنش مستقیم بین ذرات بنیادی تشکیل دهنده هاله ماده تاریک و ذرات تشکیل دهنده ماده معمولی – پروتونها، الکترونها، نوترونها و فوتونها است. ما پیشبینی میکنیم که این فرضیه در تضاد مستقیم با نظریه رایج فعلی است که برای توصیف جهان استفاده میشود – معروف به لامبدا-ماده تاریک سرد – که فرض میکند ذرات ماده تاریک سرد بیاثر هستند و با هیچ ذرهای به جز گرانشی برهمکنش ندارند.
این یافتههای مهم در مطالعه جدیدی گزارش شده است و تعداد زیادی کهکشان دوردست را مورد مطالعه قرار داده است که حدود هفت بیلیون سال نوری از ما فاصله دارند، این مطالعه که توسط گاوری شارما و پائولو سالوچی از SISSA به همراه گلن وان دی ون از دانشگاه وین انجام شد، نگاهی تازه به یکی از بزرگترین اسرار فیزیک مدرن انداخت. به گفته نویسندگان، این تحقیق جدید نشان دهنده گامی رو به جلو در درک ما از ماده تاریک است، عنصر گریزان در جهان ما که براساس اثرات قابل اثبات آن بر اجرام آسمانی تئوریزه شده است، اما هنوز به طور مستقیم ثابت نشده است. این علیرغم وجود مشاهدات و آزمایشات اخترفیزیکی هدفمندی است که برای این منظور در آزمایشگاههای زیرزمینی اختصاص داده شده است.
مطالعه ماده تاریک در کهکشانهای دور
ماده تاریک تقریباً 84 درصد جرم کیهان را تشکیل میدهد: گاوری شارما توضیح میدهد: “حضور غالب آن در سراسر کهکشانها از این واقعیت ناشی میشود که ستارگان و گاز هیدروژن در حال حرکت هستند که گویی توسط یک عنصر نامرئی اداره میشود.” تا به حال، تلاشها برای مطالعه آن بر کهکشانهای نزدیک به کهکشان ما متمرکز بوده است: او توضیح میدهد: «اما در این مطالعه، برای اولین بار، ما به دنبال مشاهده و تعیین توزیع جرم کهکشانهای مارپیچی با همان ریختشناسی کهکشانهای نزدیک، اما بسیار دورتر و در نتیجه در حدود هفت بیلیون سال زودتر هستیم. ایده اساساً این است که این اجداد کهکشانهای مارپیچی مانند ما میتوانند سرنخهای اساسی در مورد ماهیت ذره در قلب راز ماده تاریک ارائه دهند.” پائولو سالوچی میافزاید که «با مطالعه حرکت ستارگان در تقریباً 300 کهکشان دور، متوجه شدیم که این اجرام هالهای از ماده تاریک نیز دارند و با شروع از مرکز کهکشان، این هاله به طور مؤثر در منطقهای قرار دارند که چگالی آن ثابت است.” این ویژگی قبلاً در مطالعات بررسی کهکشانهای نزدیک مشاهده شده بود که برخی از آنها نیز کار SISSA بود.
با این حال، تحقیقات جدید نشان داده است که این منطقه مرکزی چیزی کاملاً غیرمنتظره در چارچوب به اصطلاح «مدل استاندارد کیهانشناسی» دارد. شارما میگوید: «در نتیجه تضاد بین ویژگیهای کهکشانهای مارپیچی دور و نزدیک – یعنی بین کهکشانهای امروزی و نیاکان آنها از هفت بیلیون سال قبل، میتوانیم ببینیم که نه تنها منطقهای غیرقابل توضیح با چگالی ثابت وجود دارد. بلکه ابعاد آن در طول زمان افزایش مییابد، گویی ماده تاریک در معرض یک فرآیند انبساط و رقیق شدن مداوم است.” توضیح این شواهد در صورتی که ذرات ماده تاریک برهمکنش نداشته باشند، همانطور که در مدل Lambda-CDM مطرح شده است، بسیار دشوار است. شارما میگوید: «در تحقیقاتی که اخیراً منتشر کردیم، شواهدی از برهمکنش مستقیم بین ماده تاریک و ماده معمولی ارائه میکنیم که در طول زمان به آرامی منطقهای با چگالی ثابت از مرکز کهکشان به سمت بیرون ایجاد میکند، اما موارد بیشتری وجود دارد..»
مطالعه جدید SISSA نشان میدهد که در مرکز کهکشانهای مارپیچی، ناحیه کروی وسیعی وجود دارد که از ذرات ماده تاریک تشکیل شده است که در آن برهمکنش مستقیم بین ذرات بنیادی تشکیلدهنده هاله ماده تاریک و آنهایی رخ میدهد که ماده معمولی را میسازند. اعتبار: Buddy_Nath در Pixabay
روندی آهسته و در عین حال غیرقابل جبران
سالوچی میگوید: «به طرز شگفتآوری، منطقه فوق با چگالی ثابت در طول زمان گسترش مییابد. توضیح ممکنی دارد؟ “سادهترین آن این است که در ابتدا، زمانی که کهکشان شکل گرفت، توزیع ماده تاریک در هاله کروی مطابق با تئوری Lambda-CDM، با یک اوج چگالی در مرکز پیشبینی شده بود. بعدها، دیسک کهکشانی که مشخص میکند که کهکشانهای مارپیچی تشکیل شدهاند که توسط هالهای از ذرات ماده تاریک بسیار متراکم احاطه شدهاند. با گذشت زمان، تأثیر برهمکنشی که ما مطرح کردیم به این معنی بود که این ذرات توسط ستارهها گرفته شده یا به قسمتهای بیرونی کهکشان رانده شدند.” همانطور که در مقاله در Astronomy and Astrophysics توضیح داده شد، این فرآیند یک ناحیه کروی با چگالی ثابت در هاله ماده تاریک ایجاد میکند، با ابعادی که در طول زمان به طور متناسب افزایش مییابد و در نهایت به دیسک ستارهای کهکشانی میرسد. شارما میگوید: «نتایج این مطالعه سؤالات مهمی را برای سناریوهای جایگزین که ذرات ماده تاریک (به غیر از لامبدا-CDM) را توصیف میکنند، مانند ماده تاریک گرم، ماده تاریک خود تعاملی و ماده تاریک فوقالعاده روشن مطرح میکند.
این مدلها همچنین باید برای تکامل زمانی واضح ثبتشده در منطقه فوق توضیح دهند. ویژگیهای کهکشانهای بسیار دور در فضا و زمان به کیهانشناسان دروازهای واقعی برای درک اسرار ماده تاریک ارائه میدهد. جالب توجه است که “در راستای فلسفه نیچه، حقیقت این راز ممکن است با بیان جزئیات زیباترین سناریوی آشکار نشود – سناریویی که از نظر ریاضی ظریفترین، سادهترین و به عنوان بسط نظریههای تایید شده طولانیمدت پیشبینی میشود.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
Distant galaxies and the true nature of dark matter
by International School of Advanced Studies (SISSA) FEBRUARY 11, 2022
https://phys.org/news/2022-02-distant-galaxies-true-nature-dark.html