آیا ماده تاریک کهکشان‌ها را احاطه کرده؟ !

[∆ MeRzaD ∆]

به تازگی پژوهشگرانی از آمریکا نوع جدیدی از ماده‌ی تاریک را پیشنهاد داده‌اند که با ماده‌ی معمولی به شدت اندرکنش دارد. این اندرکنش سبب تشکیل صفحات بسیار بزرگی می‌شود و با کهکشان‌هایی همچون کهکشان ما همپوشانی خواهد داشت. هرچند اعتقاد بر این است که ماده‌ی تاریک٬ فراوانی بسیار زیادی دارد اما تصور می‌شود این ماده اندرکنش ضعیفی با ماده‌ی سنتی داشته باشد. به پیشنهاد تحقیق جدید این نگاه بسیار ساده‌انگارانه‌ای است٬ چون ماده‌ی تاریک می‌تواند اندرکنش شدیدی با ماده معمولی داشته باشد؛ اندرکنشی که با استفاده از مشاهدات پرتوهای کیهانی قابل آشکارسازی است.

پیچیدگی‌های تاریک

دلایل و مدارک زیادی وجود دارد که وجود ماده‌ی تاریک را قوت می‌بخشد. این ماده برخلاف ماده‌ی معمولی موجب تابش یا نشر امواج الکترومغناطیس نمی شود. بعنوان مثال سرعتهای چرخشی بیش از اندازه‌ای که در ستاره‌ها و در نواحی بیرونی کهکشان‌ها وجود دارد نشان از آن دارد که کهکشان‌ها نسبت به آن حالتی که بتوانند تمامی نور را جذب کنند جرم بیشتری دارند.

با همه‌ی این اوصاف، هنوز دانشمندان دقیقاً نمی‌دانند که ماده‌ی تاریک چیست. چیزی که در مورد ماده‌ی تاریک می دانیم این است که این ماده به شکل ضعیفی با ماده‌ی معمولی و با خودش اندرکنش دارد. در میان کاندیداهایی که برای ماده تاریک وجود دارد ذرات پرجرم با اندرکنش ضعیف (WIMP) و آکسیونها که به ندرت با همدیگر برخورد می کنند را می‌توان نام برد. وجود چنین ذراتی نیز حاصل پژوهش هایی بوده که بر روی موضوعات دیگر در فیزیک انجام شده‌اند. WIMP‌ها با استفاده از برخی از فرم‌های ابرتقارنی پیشنهاد شده، در حالیکه آکسیونها توضیح دهنده‌ی این هستند که چرا اندرکنش‌های قوی از تقارن بار- پاریته پیروی نمی کنند.

فراتر از آنچه دیده می‌شود

پژوهشی که اخیراً توسط لیزا راندال (Lisa randall) از دانشگاه هاروارد و همکارانش انجام شده، براین مطلب تکیه دارد که چنان ذراتی (با اندرکنش ضعیف) ممکن است بازگوکننده تمام داستان نباشند. براساس محاسبه‌ای که دانشمندان با بررسی ویژگی‌های ماده‌ی تاریک حول کهکشان راه شیری انجام داده‌اند، ممکن است ۵ درصد از ماده تاریک اندرکنش ضعیف نداشته باشد. آنان همچنین خاطر نشان می‌کنند که این «ماده‌ی تاریک دوصفحه‌ای (DDDM)» (برطبق نامگذاری این تیم) باعث اتلاف انرژی خواهد شد. با این حال حفظ تکانه زاویه‌ای از حرکت این ماده٬ حول مرکز کهکشان٬ صفحه‌ی نازکی را تشکیل می‌دهد(درست مانند آنچه در مورد ماده عادی وجود دارد). آنها دریافتند که صفحات تاریک و قابل مشاهده جرم یکسانی خواهند داشت یعنی چگالی DDDM و ماده معمولی در جهان تقریباً برابر خواهد بود. به گفته‌ی ماتیو ریس (Matthew Reece) از اعضای این گروه: «مدلی که ما ارائه داد‌ه‌ایم برای حل مسائل خاصی پیشنهاد نشده است، اما می تواند برای بررسی محدود‌ه‌ی وسیعی از انواع امکا‌ن‌های مختلف برای اینکه ماده تاریک چه می‌تواند باشد، اهمیت دارد. ما خوش شانس هستیم که دردوره‌ای زندگی می کنیم که غنی از داده‌هاست و این موجب می‌شود مطمئن باشیم که از کشف برجسته‌ای در میان این همه داده چشم پوشی نمی کنیم.»

بر اساس کاری که این محققان انجام داده‌اند صفحات DDDM را می توان شامل معادل ماده‌ی تاریک از پروتون‌ها و الکترون‌ها دانست. این ماده‌ی معادل به واسطه‌ی نیرویی متناظر با نیروی الکترومغناطیس اندرکنش دارد که نتیجه آنها ایجاد اتم‌هایی به نام اتم‌های تاریک است. این مدلِ حداقلی که این تیم تحقیقاتی در کار اخیر خود در نظر گرفته، نیروی متناظر با نیروهای هسته‌ای را دربرندارد، بنابراین بعنوان مثال آنان درصدد پیش‌بینی ستاره های تخم‌ریز (spawning stars) DDDM نبوده‌اند.

بر طبق گفته‌ی ریس و همکارانش، آنان خود را به این مدل ساده محدود کرده‌اند چون تحلیل و درک چگونگی آزمایش چنان مدلی نسبتاً ساده است. اما این مدل می تواند موجب توسعه مدل پیچیده‌تری (شامل فیزیک هسته‌ای) نیز بشود. وی می افزاید: «به نظر نمی‌رسد که این سوال که آیا می‌توان شکلی از زندگی را یافت که از ماده‌ی تاریک تشکیل شده باشد، سوال خیلی پرتی باشد. وی تاکید می‌کند که این ایده‌٬ که ایده‌ای حدسی و نظری به شمار می‌رود خیلی علمی نیست، چون راه خوبی جهت آزمودن آن نمی‌شناسیم.»

آشکارسازی صفحات تاریک

از طرف دیگر ممکن است صفحه‌ی تاریک در آینده‌ی نزدیک قابل آشکارسازی باشد. ویس توضیح می‌دهد که یک دلیل مبنی بر وجود ماده تاریک را می‌توان اثرات گرانشی دانست که بر روی حرکت میلیاردها ستاره در کهکشان راه شیری دارد؛ این اثرات را آژانس فضایی اروپا در ماموریت آینده‌ی گایا مطالعه خواهد کرد. آن‌چنان‌که ویس و همکارانش می‌نویسند، ذرات DDDM نابودشونده (annihilating DDDM particles) سیگنال‌های «متفاوت چشمگیر» را نسبت به آنچه ماده تاریک معمولی تولید می‌کند، ایجاد می‌کنند؛ سیگنال‌هایی که آشکارسازهای PAMELA، Fermi و AMS-02 گوش بزنگ آن هستند.

با این وجود آشکارسازی مستقیم ماده‌ی تاریک کاری بس دشوار است. فیزیک‌پیشگان، آزمایش‌های زیرزمینی را بنا نهاده‌اند و درحال جستجوی هرگونه اندرکنشی بین ذرات مشهور از ماده تاریک معمولی و ماده موجود در آشکارسازها هستند. اما همچنان‌که تیم هاروارد خاطر نشان می‌کند، این اندرکنش‌ها با مشاهده DDDMهای گوناگون دچار کشمکش هستند چون صفحه‌ی تاریکی که مامنی برای این ماده عجیب و غریب بحساب می‌آید، ممکن است­ با مشابه قابل مشاهده‌ی خود هم راستا باشد.

به گفته این تیم، حتی اگر این صفحات با یکدیگر در یک راستا نیز قرار گیرند، سرعت نسبی آنها احتمالا بسیار پایین باشد و نتواند به برخورد پرانرژی موثر در داخل آشکارسازها بیانجامد. به گفته‌ی وانیل هوپر (Daniel Hooper) اخترفیزیک‌دانی در فرمیلب آمریکا، گروه هاروارد فرضیه‌ی جالبی را پیشنهاد داده‌اند که به پیش‌بینی او «علاقه‌ی بسیاری از افرادی که بر روی ماده تاریک کار می‌کنند را جلب خواهد کرد.»

به گفته‌ی روبرتو باتیستون (Roberto Battiston) فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه ترنتو (Trento ) در ایتالیا و معاون سخنگوی AMS-02، توزیع صفحه‌مانند و عجیب DDDM را می‌توان با آزمایش‌هایی که گروه او انجام می‌دهند شناسایی کرد؛ البته «اگر چنین موادی وجود داشته باشند.» او در مورد نظریات زیادی که رقیبی برای این ایده بحساب می‌آیند هشدار می‌دهد. به بیان او این نظریات ممکن است بتوانند هر سیگنال شبیه سیگنال‌های ماده‌ی تاریک را توضیح دهند.

این تحقیق در Physical Review Letters انتشار یافته است.