آیا بالاخره ماده تاریک مرموز را کشف کرده‌ایم؟ پژوهشگران هنوز شک دارند
زومیت: تلسکوپ فرمی ناسا، در اعماق مرکز کهکشان راه شیری، با تشعشع غیرمنتظره ای مواجه شد که می تواند کلید حل معمای ماده تاریک و انقلابی در نجوم باشد.
یک مطالعه جدید نشان می دهد که تلسکوپ فرمی ناسا ممکن است برای اولین بار موفق به مشاهده نشانه هایی از ماده تاریک شده باشد. عنصری نامرئی و مرموز که اکثریت ماده را در جهان تشکیل می دهد و دهه هاست که ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است. با این حال، محققان، از جمله نویسنده مطالعه، تاکید می کنند که باید تحقیقات بیشتری برای تفسیر دقیق این کشف انجام شود.
تلسکوپ فضایی فرمی ناسا که برای مطالعه طول موج های بسیار پرانرژی نور معروف به پرتوهای گاما طراحی شده است، به تازگی تشعشعی را در مرکز کهکشان راه شیری شناسایی کرده است که ممکن است با ذرات مرتبط با ماده تاریک مرتبط باشد.
تامونوری توتانی، استاد نجوم در دانشگاه توکیو و نویسنده یگانه این مطالعه، در بیانیه ای گفت: “تا آنجا که من می دانم، اگر نتیجه درست باشد، تا آنجا که من می دانم، این اولین باری است که انسان ها واقعا ماده تاریک را می بینند.” در عین حال، او تأکید می کند که این سیگنال باید به طور مستقل تأیید شود. نه فقط در کهکشان راه شیری، بلکه «در اجرام یا مناطق دیگر» با خواص مشابه.
شان تولین، فیزیکدان نظری و استادیار دانشگاه یورک در تورنتو، نیز در مصاحبه با لایو ساینس تاکید کرد که علاقه مند به تجزیه و تحلیل مستقل داده ها است. زیرا پیش از این نیز بر اساس داده های فرمی ادعاهای مشابهی مطرح شده است. یکی از مصادیق معروف آن «زیاد مرکز کهکشانی» است; نوری مرموز در محدوده اشعه گاما که اولین بار در سال ۲۰۰۹ با داده های فرمی کشف شد. پس از نزدیک به دو دهه تحقیق، هنوز مشخص نیست که آیا تابش اضافی ناشی از ماده تاریک است یا پدیده‌های نجومی رایج‌تری مانند تپ‌اخترها، ستارگانی که خیلی سریع می‌چرخند.
ذرات سنگین برهم کنش ضعیف در کیهان
ماده تاریک ماده تا حد زیادی ناشناخته و غیر درخشانی است که تصور می شود بیشتر ماده در جهان را تشکیل می دهد. این ماده تنها از طریق تأثیرات گرانشی آن بر اجسام دیگر قابل ردیابی بوده است. به عنوان مثال، در یک مقاله مهم در سال ۱۹۳۳، ستاره شناس فریتز زویکی نشان داد که سرعت چرخش کهکشان های دور بسیار بیشتر از آن است که بتوان با جرم قابل مشاهده توضیح داد، و این اختلاف نشان می دهد که نیروی گرانشی ماده تاریک باید پشت این رفتار باشد.
اگر سیگنال مشاهده شده واقعاً از ماده تاریک باشد، یک کشف خارق‌العاده خواهد بود.»
فرضیه های مختلفی در مورد ماهیت ماده تاریک ارائه شده است، اما امروزه بسیاری از ستاره شناسان معتقدند که این ماده از ذرات زیر اتمی ساخته شده است. تحقیقات توتانی بر یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها، ذرات سنگین با تعامل ضعیف یا WIMP متمرکز است.
WIMP ها خارج از “مدل استاندارد” فیزیک ذرات قرار دارند. مدلی که رفتار اکثر ذرات شناخته شده را با موفقیت توضیح می دهد، اما وجود ماده تاریک و گرانش را شامل نمی شود. این ذرات سنگین تر از پروتون هستند و به سختی با ماده معمولی برهمکنش می کنند. با این حال، هنگامی که دو WIMP با هم برخورد می کنند، از بین می روند و ذرات جدید در طول این برخورد پرانرژی متولد می شوند. از جمله فوتون های اشعه گاما.
ماده تاریک؛ هست یا نه؟
تحقیقات بسیاری مرکز کهکشان راه شیری را با هدف یافتن پرتوهای گاما ناشی از برخورد ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف هدف قرار داده اند. منطقه ای که انتظار می رود چگالی ماده تاریک در آن بالا باشد. داده های ۱۵ سال رصد توسط تلسکوپ فرمی نشان می دهد که پرتوهای گاما “در ساختاری هاله مانند به سمت مرکز کهکشان راه شیری” که “با شکل هاله ماده تاریک مطابقت دارد” دیده می شود.
این پرتوهای گاما شدت بالایی دارند و انرژی فوتون آنها به حدود ۲۰ گیگالکترون ولت (۲۰ میلیارد الکترون ولت) می رسد. بر اساس این انتشار، این مقدار انرژی “با تابش پیش بینی شده از نابودی WIMP های فرضی” و همچنین فرکانس مورد انتظار برای این نابودی سازگار است.
با این حال، شان تولین هشدار می‌دهد که این سیگنال تنها زمانی دیده می‌شود که پس‌زمینه همه منابع فوتون پرانرژی راه شیری حذف شود. از جمله تابش از مرکز کهکشان، تابش از صفحه کهکشانی، و همچنین انرژی گسترده ای که از “حباب های فرمی” می آید. دو ساختار عظیم از گاز و پرتوهای کیهانی بر فراز کهکشان راه شیری.
تمام مطالعاتی که قصد بررسی پرتوهای پرانرژی کهکشان راه شیری را دارند، باید این نویز پس‌زمینه را مدل‌سازی کنند و سپس آن را حذف کنند تا سیگنال واقعی آشکار شود. تولین توضیح می‌دهد: «آنچه از سیگنال دریافت می‌کنید بسیار به آنچه از پس‌زمینه حذف کرده‌اید بستگی دارد. اگر به اشتباه حذف کنید، احتمال تقلب وجود دارد.
علاوه بر مشکل پس زمینه، نوع سیگنال ممکن است به مدل ذرات ماده تاریک نیز بستگی داشته باشد. “سوال این است که مدل این ذره چیست؟ جرم چقدر است؟ ویژگی های اساسی آن چیست؟ چه نوع فعل و انفعالی دارد؟” با این حال، او توضیح می دهد که مدل استاندارد نابودی WIMP یک “توضیح قابل قبول” برای سیگنال گزارش شده توسط توتانی است. البته به شرطی که مفروضات مدل درست باشد و پیشینه به طور دقیق حذف شود.
تولین افزود: «اگر این سیگنال واقعاً از ماده تاریک باشد، یک کشف خارق‌العاده است زیرا این نوع ذرات را می‌توان در انواع آزمایش‌های دیگر، از آزمایشگاه‌های زیرزمینی گرفته تا برخوردکننده‌های ذرات، شناسایی کرد.»
با این حال، تولین در پایان خاطرنشان می کند: “هیچ کس حاضر نیست به شدت شرط بندی کند که این بار نتیجه درست خواهد بود. ما ناهنجاری های زیادی را دیده ایم؛ برخی می آیند و می روند و برخی باقی می مانند و هنوز به تحقیقات بیشتری نیاز دارند.”
