برخورد خوشه های کهکشانی، آشکارساز ماده تاریک

ماده تاریک با خود برهم‌کنش می‌کند؟ پاسخ ممکن است در خوشه‌های عظیم کهکشانی برخوردی نهفته باشد. ماده تاریک به طرز مشهوری ضد اجتماعی است و از برهم‌کنش با نور و ماده عادی خودداری می‌کند و در نتیجه به طور موثر نامرئی است. اما چیزی که دانشمندان در مورد آن مطمئن نیستند این است که آیا […]

ماده تاریک با خود برهم‌کنش می‌کند؟ پاسخ ممکن است در خوشه‌های عظیم کهکشانی برخوردی نهفته باشد. ماده تاریک به طرز مشهوری ضد اجتماعی است و از برهم‌کنش با نور و ماده عادی خودداری می‌کند و در نتیجه به طور موثر نامرئی است. اما چیزی که دانشمندان در مورد آن مطمئن نیستند این است که آیا ماده تاریک با خود برهم‌کنش می‌کند. اگر هر ذره‌ای که ماده تاریک را تشکیل می‌دهد با برخورد با یکدیگر و احتمالاً نابودی متقابل، برهم‌کنش کند.

به گزارش سرویس تحقیقات علمی رسانه فناوری تکنا، تحقیقات جدید نشان می‌دهد که خوشه‌های کهکشانی می‌توانند به عنوان شتاب‌دهنده‌های طبیعی ماده تاریک مورد استفاده قرار گیرند. این روش تشخیص ماده تاریک به برخورد دو گروه عظیم از کهکشان‌ها با یکدیگر بستگی دارد.

از آنجایی که این خوشه‌های کهکشانی پر از ماده تاریک هستند، ستاره‌شناسان می‌توانند این مکان‌های برخورد کیهانی را برای یافتن نشانه‌های احتمالی برهم‌کنش ماده تاریک با خود بررسی کنند. در حالی که چنین سرنخی دقیقاً به ما نمی‌گوید که چه ذراتی ماده تاریک را تشکیل می‌دهند، اما می‌تواند به حذف مدل‌های ماده تاریکی که برهم‌کنش خود را مجاز نمی‌دانند کمک کند و محققان را به کاندیدای واقعی ماده تاریک نزدیک‌تر کند.

جکی مک‌کلاری، استادیار فیزیک گفت: «خوشه‌های کهکشانی نیز توسط ماده تاریک تحت سلطه هستند. 80 تا 90 درصد جرم آن‌ها ماده تاریک است و هر چه جسمی پرجرم‌تر باشد، ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک سریع‌تر حرکت می‌کنند. شما اساساً در حال مطالعه برخوردهای با انرژی بسیار بالا هستید.»

آیا ذرات ماده تاریک “شبح‌های کیهانی” ضد اجتماعی هستند؟ کمبود برهم‌کنش‌ها یکی از چیزهایی است که درک ماده تاریک را بسیار چالش‌برانگیز می‌کند. با وجود اینکه ماده تاریک بیش از 80 درصد از جهان مادی را تشکیل می‌دهد و تأثیر گرانشی که به معنای واقعی کلمه از پراکندگی کهکشان‌ها جلوگیری می‌کند را فراهم می‌کند، اما به دلیل برهم‌کنش نکردن با نور، عملاً نامرئی است. به همین ترتیب، ذرات ماده تاریک مانند ارواح کیهانی از میان ذرات ماده عبور می‌کنند. این ویژگی‌های ضد اجتماعی دانشمندان را به این نتیجه رسانده است که ماده تاریک نمی‌تواند از اتم‌هایی تشکیل شده باشد که از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده‌اند، که با نور و یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. این امر جستجو برای یک ذره کاندیدای ماده تاریک مناسب را آغاز کرده است.

مک‌کلاری گفت: «همه چیز در جهان یک ذره و یک موج و یک میدان است، بنابراین فرض اولیه این است که ماده تاریک باید یک ذره باشد. سوال این است که چه نوع ذره‌ای، زیرا یک “ذره” بسیار مبهم است.» ذرات کاندیدا از «ذرات سنگین ضعیف برهم‌کنش» یا «WIMP» گرفته تا «اجرام فشرده هاله‌ای عظیم» یا «MACHO» (ما شما را می‌بینیم، دانشمندان)، تا ذرات کوچک و تقریباً بدون جرم به نام آکسین یا نوترینوهای استریل متغیر هستند. حتی سیاه‌چاله‌های کوچک باقی‌مانده از انفجار بزرگ به نام سیاه‌چاله‌های اولیه نیز به عنوان کاندیداهای ماده تاریک معرفی شده‌اند. مشکل اینجاست که همه این مظنونین در تشخیص شکست خورده‌اند و بنابراین همچنان گیج‌کننده هستند.

ماهیت شبح‌وار ماده تاریک به این معنی است که نمی‌توانیم فقط ذرات ماده تاریک را در یک شتاب‌دهنده ذرات روی زمین، مانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC)، بارگیری کنیم تا آن‌ها را با هم خرد کنیم و ترکیب آن‌ها را تعیین کنیم. بنابراین، در حالی که LHC با شکستن پروتون‌ها و تماشای دوش‌های ذرات حاصل، برخی از اسرار مدل استاندارد فیزیک ذرات را کشف کرده است، اما ماده تاریک که فراتر از آن مدل قرار دارد، به نظر می‌رسد که برای قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات جهان غیرقابل دسترسی است.

تنها راهی که می‌توانیم وجود ماده تاریک را استنباط کنیم از طریق تنها برهم‌کنشی است که به نظر می‌رسد درگیر آن است. ماده تاریک جرم دارد و بنابراین فضا-زمان (یک وحدت چهار بعدی از زمان و فضا) را تحریف می‌کند که به آن یک تأثیر گرانشی می‌دهد. این تأثیر می‌تواند به ماده و نور معمولی بگوید که چگونه حرکت کنند، و ما می‌توانیم آن را تشخیص دهیم. از طریق این رویکرد غیرمستقیم است که می‌دانیم کهکشان‌ها توسط هاله‌های عظیمی از ماده تاریک احاطه شده‌اند و ماده تاریک نیز در مقادیر فراوان در نزدیکی هسته‌های کهکشان‌ها وجود دارد.

دانشمندان همچنین نظریه می‌دهند که زمانی که کهکشان‌ها در خوشه‌های عظیم جمع می‌شوند، این نتیجه رشته‌های عظیمی از ماده تاریک نامرئی است که مانند تار نامرئی بافته شده توسط یک عنکبوت کیهانی در سراسر جهان گسترش می‌یابد. این تار کیهانی همچنین به کهکشان‌های منفرد کمک می‌کند تا جرم جمع کنند و رشد کنند، زیرا تأثیر گرانشی آن ماده معمولی را جذب می‌کند. مک‌کلاری و همکارانش پیشنهاد کردند که به جای یک شتاب‌دهنده ذرات ساخت دست بشر، از یک شتاب‌دهنده طبیعی استفاده کنند. آن‌ها استدلال می‌کنند که اگر خوشه‌های کهکشانی و ماده تاریکی که با خود حمل می‌کنند با نیروی کافی برخورد کنند، برهم‌کنش‌های قابل تشخیص ماده تاریک می‌تواند رخ دهد – اگر واقعاً ماده تاریک با خود برهم‌کنش کند.

این برهم‌کنش‌ها می‌توانند به سادگی برخورد و بازگشت ذرات ماده تاریک به یکدیگر باشند، یا می‌توانند منجر به نابودی متقابل و یک فلش انرژی شوند. هنگامی که ذرات و ضد ذرات – مثلاً یک الکترون و ضد ذره آن، به نام پوزیترون – با هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود می‌کنند و انرژی موجود در آن‌ها آزاد می‌شود. برخی مدل‌های ماده تاریک نشان می‌دهند که خود ضد ذره است، به این معنی که یک شکل از برهم‌کنش می‌تواند خود نابودی باشد که در اثر برخورد دو ذره ماده تاریک ایجاد می‌شود.

برای آزمایش این ایده، تیم شبیه‌سازی‌هایی از برخوردهای خوشه‌های کهکشانی را روی رایانه‌های قدرتمند ایجاد کرد که به اندازه کافی برای بررسی برخوردها تا سطح برهم‌کنش ذره به ذره ایجاد شد. این امر نیاز به برنامه‌نویسی شبیه‌سازی با مدل‌های فیزیکی برهم‌کنش بین ستارگان، گاز و ماده تاریک داشت. با استفاده از این شبیه‌سازی و شبیه‌سازی‌های مشابه، دانشمندان می‌توانند یک نقشه راه برای مشاهده برخوردهای واقعی ماده تاریک ایجاد کنند. از آنجا، محققان می‌توانند سرنخ‌هایی جمع‌آوری کنند که به آن‌ها کمک می‌کند برخی از ویژگی‌های پایه مورد نیاز یک ذره فرضی ماده تاریک را تعیین کنند. این می‌تواند مظنونین ماده تاریک را محدود کند.

مک‌کلاری گفت: «اگر بتوانید برخی از برهم‌کنش‌های خود را اندازه‌گیری کنید، یا اگر بتوانید برخی از محدودیت‌های بالایی را تعیین کنید، در حال حذف یا تأیید کلاس‌های ذراتی هستید که ماده تاریک می‌تواند باشد. اگر برخی از برهم‌کنش‌های خود را اندازه‌گیری کنید، پس یک کلاس دیگر از ذرات را به همراه می‌آورید. شما به کلاس دیگری از نظریه‌ها اجازه می‌دهید. این مقاله همچنین می‌گوید که اگر مجموعه ای از مثلاً 100 خوشه کهکشانی در حال ادغام را مطالعه کنید، شانس اندازه گیری برهم کنش خود ماده تاریک تا آستانه ای دارید.»