ثبت نخستین تصویر از ماده تاریک

دانشمندان برای نخستین بار شواهد مستقیمی از وجود ماده تاریک را به ثبت رسانده‌اند؛ ماده‌ای مرموز که بیش از یک‌چهارم جرم-انرژی کل کیهان را تشکیل می‌دهد.

پژوهشگران با کمک تلسکوپ پرتو گاما فرمی ناسا، پرتوهای گامای پرانرژی را شناسایی کرده‌اند که از ساختاری هاله‌مانند و گسترده در اطراف کهکشان راه شیری ساطع می‌شوند. فرکانس و شدت این پرتوها کاملاً با ویژگی‌های پیش‌بینی‌شده برای ماده تاریک هم‌خوانی دارد.

پروفسور تومونوری توتانی، نویسنده اصلی این پژوهش از دانشگاه توکیو، می‌گوید که با ثبت این تصویر مبهم، این نخستین باری است که بشر موفق شده ماده تاریک اسرارآمیز را ببیند.

نزدیک به ۲۰ سال است که دانشمندان از وجود درخشش اضافی پرتو گاما در مرکز کهکشان راه شیری، موسوم به «مازاد مرکز کهکشان»، آگاهند.

اما این «امضای هاله‌ای» که کل کهکشان ما را در بر گرفته، چیزی کاملاً جدید است و پیش‌تر توسط هیچ‌کس دیده نشده بود.

پروفسور توتانی توضیح داد:

مازاد مرکز کهکشان بسیار متمرکز است؛ اما سیگنال هاله‌ای که من کشف کردم، به‌طور یکنواخت در سراسر ناحیه هاله پخش شده و به نظر من، این ویژگی بیانگر تابش ناشی از ماده تاریک است.

ماده تاریک نامرئی با اثرات گرانشی خود، چرخش کهکشان‌ها و حتی انبساط کیهان را توضیح می‌دهد و با وجود اهمیت حیاتی‌اش برای فیزیک نوین، تاکنون تنها توانسته‌ایم اثرات گرانشی آن را به‌صورت غیرمستقیم اندازه‌گیری کنیم.

حالا پروفسور توتانی معتقد است که راهی برای مشاهده مستقیم آن یافته است.

بسیاری از دانشمندان باور دارند که ماده تاریک از ذراتی به نام «ذرات عظیم با برهم‌کنش ضعیف» یا به‌اختصار WIMP تشکیل شده است.

این ذرات بسیار بزرگ‌تر از پروتون‌های معمولی‌اند؛ اما تقریباً هیچ برهم‌کنشی با ماده معمولی ندارند، به همین دلیل کشف‌شان فوق‌العاده دشوار است.

وقتی دو WIMP با یکدیگر برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود کرده و جریانی از فوتون‌های پرانرژی به شکل پرتو گاما تولید می‌کنند.

پروفسور توتانی با بررسی ۱۵ سال داده تلسکوپ فرمی، به برخی نواحی‌ از کهکشان نگاه کرد که انتظار می‌رفت بیشترین تراکم ماده تاریک را داشته باشند. او در آنجا پرتوهای گامای بسیار پرانرژی را یافت که در ساختاری عظیم و هاله‌مانند پخش شده و از مرکز کهکشان منتشر می‌شوند.

جالب اینکه محل انتشار این پرتوها دقیقاً همان جایی است که مدل‌های قبلی بیشترین غلظت ماده تاریک را پیش‌بینی کرده بودند.

از همه هیجان‌انگیزتر، سطح انرژی این پرتوها دقیقاً با مقداری که برخی از نظریه‌ها برای برخورد ذرات ماده تاریک پیش‌بینی کرده بودند، مطابقت دارد.

این می‌تواند نخستین مشاهده مستقیم ماده تاریک باشد.

پروفسور توتانی اظهار داشت:

چون ما مستقیماً پرتوهای گامای ساطع‌شده از ماده تاریک را می‌بینیم، شخصاً این را «مشاهده مستقیم» می‌دانم.

نکته بسیار مهم این است که این امضای هاله‌ای کاملاً از مازاد شناخته‌شده مرکز کهکشان متمایز است.

امضای هاله نه‌تنها پراکنده‌تر بوده، بلکه شدت آن تقریباً ۱۰ برابر بیشتر از تابش گامای مرکز کهکشان است.

هیچ نوع شناخته‌شده‌ای از ستاره‌ها یا سیاه‌چاله‌ها نمی‌تواند چنین انرژی عظیمی را تولید کند.

دکتر مورتس مورو، متخصص ماده تاریک از مؤسسه فیزیک نجومی لایبنیتس که در این پژوهش شرکت نداشته، گفته است:

هیچ جرم ستاره‌ای شناخته‌شده‌ای در چنین سطوح انرژی بالایی تابش نمی‌کند؛ بنابراین نتیجه‌گیری توتانی به‌سوی فرضیه ماده تاریک بسیار قوی است.

با این حال، هنوز همه قانع نشده‌اند. پروفسور جو سیلک از دانشگاه جانز هاپکینز که او نیز در این پژوهش دخیل نبوده، اعلام این کشف را زودهنگام می‌داند.

اول اینکه پیش‌بینی‌های توتانی درباره مقدار انرژی تولیدی هر WIMP بسیار بالاتر از محاسبات برخی دیگر از دانشمندان است.

پروفسور سیلک می‌گوید:

البته ممکن است که پیش‌بینی‌های ما اشتباه باشد؛ اما اگر او درست بگوید، باید همین سیگنال پرتو گاما را از کهکشان‌های کوتوله نزدیک که پر از ماده تاریک هستند هم ببینیم.

او همچنین معتقد است که این پرتوهای گامای قوی می‌توانند نتیجه انفجار عظیمی باشند که حدود ده میلیارد سال پیش از سیاه‌چاله مرکزی کهکشان راه شیری رخ داده است.

این انفجار، ساختارهای غول‌پیکری به نام «حباب‌های فرمی» را در دو طرف کهکشان ایجاد کرد و می‌توانست واکنش‌های زنجیره‌ای قدرتمندی را به راه بیندازد.

پروفسور سیلک توضیح داد:

چیزی که توتانی در نظر نگرفته، این است که انفجاری که حباب‌های فرمی را ساخت، با جبهه‌های شوک شدید و میدان‌های مغناطیسی آشوبناک همراه بوده؛ این میدان‌ها خود شتاب‌دهنده‌های عظیم ذرات عمل می‌کنند و می‌توانند ذرات بسیار پرانرژی تزریق کنند که بعداً با گازهای محیطی برهم‌کنش کرده و درخشش اضافی پرتو گاما ایجاد کنند. در این صورت، هیچ مدرکی برای ماده تاریک نخواهیم داشت.

پروفسور توتانی در مقاله خود که در مجله Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده، اذعان می‌کند که برای اثبات قطعی اینکه این سیگنال واقعاً از ماده تاریک است، به مشاهدات بیشتری نیاز داریم.

اگر نواحی دیگری که انتظار می‌رود پر از ماده تاریک باشند، مثل کهکشان‌های کوتوله نزدیک، امضاهای مشابه پرتو گاما نشان دهند، ادعای او بسیار قوی‌تر خواهد شد.

با این حال، این پژوهشگر همچنان اطمینان دارد که داده‌های آینده فقط شواهد بیشتری برای منشأ ماده تاریکی این پرتوهای گاما ارائه خواهند کرد.