بزرگترین تلسکوپ رادیویی جهان می‌تواند اسرار ماده تاریک، کهکشانهای اولیه جهان را کشف کند!!

مطالعه اثر انگشت هیدروژنی درست پس از انفجار بزرگ می‌تواند به محققان اجازه دهد «دو پرنده را با یک سنگ بکشند!»

تصویر کهکشان‌های اولیه را نشان می‌دهد که در ماده تاریک پیچیده شده‌اند و در سایه‌ای شوم در کمین هستند که «جنگلی ۲۱ سانتی‌متری» را نشان می‌دهد. (اعتبار تصویر: NAOC & NEU)

یکی از ویژگی‌های جذب نور توسط هیدروژن اطراف کهکشان‌های اولیه می‌تواند به عنوان یک کاوشگر جدید در مورد اسرار ماده تاریک و چگونگی تأثیر آن بر تکامل جهان در دوران تاریکی کیهانی استفاده شود.

دانشمندان مدت‌هاست که این نظریه را مطرح کرده‌اند که ماده تاریک، یک ماده مرموز که حدود 85 درصد از ماده جهان را تشکیل می‌دهد، نقش بزرگی در شکل‌گیری کهکشان‌های اولیه داشته است. اما از آنجایی که ماده تاریک با نور تعامل ندارد (برخلاف ماده “عادی” که ستاره‌ها، سیارات و ما را تشکیل می‌دهد)، ماهیت آن ناشناخته باقی‌مانده است. این بدان معناست که نقش دقیقی که با شروع شکل‌گیری کهکشان‌ها ایفا می‌کند، شکافی در مدل‌های کیهانی باقی می‌ماند.

برای بررسی این معما، دانشمندان دانشگاه نورث ایسترن در چین و رصدخانه ملی نجوم آکادمی علوم چین (NAOC) یک کاوشگر جدید برای روشن کردن ماهیت ماده تاریک و شکل‌گیری اولیه کهکشان‌ها پیشنهاد کرده‌اند.

یکی از راه‌های ممکن برای بررسی ذراتی که ماده تاریک و جرم آنها را تشکیل می‌دهند، مطالعه ساختارهای مقیاس کوچک در جهان بوده است. مشکل زمانی رخ می‌دهد که تلاش برای انجام این کار برای دوره‌ای به نام “سپیده‌دم کیهانی”، حدود 380 میلیون سال پس از انفجار بزرگ، زمانی که اولین ستاره‌ها تازه متولد شده بودند. بنابراین منابع نوری کمی برای روشن کردن این دوران باستانی برای ستاره‌شناسان وجود داشت.

اما در این دوران اتم هایی به شکل گازی از سبک‌ترین عنصر شیمیایی یعنی هیدروژن وجود داشت. مانند همه عناصر، هیدروژن نور را در طول‌موج‌های مشخص جذب می‌کند و اثر انگشت خود را روی نور عبوری از آن باقی می‌گذارد.

جستجوی ماده تاریک در یک جنگل کیهانی

گاز هیدروژن اتمی در داخل و اطراف ساختارهای کوچکی که در طلوع کیهانی وجود داشت که حدود یک بیلیون سال پس از انفجار بزرگ به پایان رسید، خطوط جذب مشخصه‌ای در 21 سانتی‌متر، در محدوده رادیویی طیف الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند. اینها در مجموع جنگل 21 سانتی‌متری نامیده می‌شوند که بیش از 20 سال است که به عنوان کاوشگر بالقوه دمای گاز و ماده تاریک در طلوع خورشید کیهانی پیشنهاد شده است.

که فقط به صورت یک مفهوم نظری باقیمانده است، با این حال، به دلیل این واقعیت است که نور از این دوران حدود 13.4 بیلیون سال در سفر بوده تا به ما برسد. در طول مسیر، انرژی خود را از دست داده و طول موج آن کشیده شده و فرکانس آن کاهش یافته است و آن را به سمت پایین طیف الکترومغناطیسی به سمت ناحیه قرمز و فراتر از آن به مادون قرمز حرکت می‌دهد.

هر چه منبع نور دورتر باشد، این فرآیند “انتقال به قرمز” شدیدتر است. با غیاب نور ستارگان، استفاده از جنگل 21 سانتی‌متری به عنوان یک کاوشگر ماده تاریک، مستلزم دیدن منابع رادیویی با صدای بلند مانند اختروش‌ها در سپیده دم کیهانی و در نتیجه در انتقال به قرمز زیاد است. اما سیگنال‌های چنین منابع رادیویی در این دوره ضعیف هستند و شناسایی این منابع پس‌زمینه با جابجایی بالا به قرمز دشوار است.

اما ممکن است این وضعیت در شرف تغییر باشد. اخیراً نه تنها تعدادی از اختروشهای رادیویی با انتقال بالا به قرمز کشف شده‌اند، بلکه بزرگترین تلسکوپ رادیویی جهان، آرایه کیلومتر مربعی (SKA) در دسامبر 2022 در استرالیا و آفریقای جنوبی شروع به ساخت کرد و به زودی چشم رادیویی حساس خود را روی کیهان باز خواهد کرد که نشان می‌دهد که شناسایی و استفاده از جنگل 21 سانتی‌متری ممکن است به زودی امکان‌پذیر باشد.

برخی از تلسکوپهای آرایه کیلومتر مربعی. (اعتبار تصویر: گتی ایماژ)

تیم تحقیق جدید فکر می کند که اندازه‌گیری توزیع انرژی جنگل 21 سانتی متری یا “طیف قدرت” آن، آن را به یک کاوشگر قابل قبول برای اندازه‌گیری همزمان خواص ماده تاریک و تاریخچه حرارتی جهان تبدیل می‌کند که به محققان کمک کند تا بین مدل ماده تاریک سرد جهان – مدلی با ذرات ماده تاریک پرجرم که در مقایسه با سرعت نور به کندی حرکت می‌کنند – و مدل ماده تاریک داغ، با ذرات ماده تاریک سبک‌تر و سریع‌تر تمایز قائل شوند.

“با اندازه‌گیری طیف قدرت یک بعدی جنگل 21 سانتی متری، ما نه تنها می‌توانیم کاوشگر را با افزایش حساسیت عملی کنیم، بلکه راهی برای تشخیص اثرات مدل‌های ماده تاریک گرم و فرآیند گرمایش اولیه ارائه می‌دهیم.” یدونگ ژو، محقق رصدخانه ملی نجوم، نویسنده مسئول این مطالعه جدید گفت: “ما قادر خواهیم بود با یک سنگ دو پرنده را بکشیم!”

تا زمانی که گرمایش کیهانی در طلوع کیهانی خیلی شدید نباشد، قابلیتهای فرکانس پایین فاز 1 عملیات SKA به این معنی است که دانشمندان می‌توانند جرم ذرات ماده تاریک و دمای گاز را محدود کنند. اگر گرمایش کیهانی خیلی زیاد بود، در مرحله دوم SKA، ابزار بزرگ‌تر شده و منجر به استفاده از منابع رادیویی پس‌زمینه متعددی می‌شود که محدودیت‌های یکسانی را ارائه می‌کنند.

از آنجایی که استفاده بالقوه از جنگل 21 سانتی‌متری به عنوان یک کاوشگر ماده تاریک با مشاهدات منابع رادیویی پس زمینه با جابجایی بالا به قرمز مرتبط است، گام بعدی در این تحقیق، شناسایی منابع پرتوهای رادیویی بیشتر در طول طلوع کیهانی، از جمله صدای رادیویی اختروش‌ها و درخشش‌های پس از انفجار پرتو گاما بیشتر است.

این منابع را می‌توان پس از شروع رصد کیهان در سال 2027، هنگامی که SKA شروع کرد، پیگیری کرد، بنابراین به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا بر اسرار ماده تاریک و اولین کهکشان‌ها آگاهی یابند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

World’s biggest radio telescope could tease out secrets of dark matter, universe’s 1st galaxies

By Robert Lea

https://www.space.com/dark-matter-universe-first-galaxies-cosmic-dawn-forest