جرمی که با نور برهمکنش معمولی ندارد و از این رو آن را «ماده تاریک» نامیدند. بر اساس این دیدگاه، ماده تاریک حدود ۸۰ درصد جرم کل کیهان را تشکیل میدهد و بیشتر به صورت «هالههایی» پیرامون کهکشانها و خوشههای کهکشانی حضور دارد. با این حال، با گذشت بیش از شش دهه از آغاز جستوجو، دانشمندان هنوز موفق نشدهاند ذرهای را که این جرم مرموز را تشکیل میدهد شناسایی کنند.
در طول این مدت، گزینههای گوناگونی به عنوان نامزدهای ماده تاریک پیشنهاد شدهاند؛ از جمله ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف (WIMPs)، سیاهچالههای نخستین، و ذرات فوقسبک موسوم به «اکسیون»ها.
در سالهای اخیر، اکسیونها به یکی از اصلیترین گزینههای مطرح در این زمینه تبدیل شدهاند، هرچند هنوز مدرکی مستقیم برای وجود آنها به دست نیامده است. اکنون گروهی از فیزیکدانان دانشگاه کپنهاگ روش تازهای ارائه دادهاند که ممکن است راه را برای کشفی بزرگ بگشاید.
این روش نوین بر پایه استفاده از «هستههای فعال کهکشانی» (AGN) است؛ نواحی بسیار درخشان در مرکز کهکشانها که بهواسطه سیاهچالههای ابرپرجرم شکل میگیرند. پژوهشگران پیشنهاد میکنند که این هستههای فعال همانند شتابدهنده ذرات طبیعی عمل میکنند. آنها با بررسی پرتوهای الکترومغناطیسی تابیدهشده از این مراکز درخشان، هنگامی که از میان میدانهای مغناطیسی خوشههای کهکشانی عبور میکنند، میتوانند نشانههایی از تولید اکسیونها را شناسایی کنند.
همکاری بینالمللی برای کشف ذرات گمشده
این پروژه به سرپرستی اولگ روچایسکی، دانشیار مؤسسه نیلز بور در دانشگاه کپنهاگ، انجام شده است. او و تیمش متشکل از پژوهشگرانی از مؤسسه نیلز بور، مؤسسه اخترشناسی و اخترفیزیک، دانشگاه ملی تاراس شفچنکو در کیف، و مؤسسه بوگولیوبوف در فیزیک نظری بودند. یافتههای آنها در مقالهای با عنوان «محدودیتهای ذرات شبهاکسیون از هستههای فعال کهکشانی در خوشههای کهکشانی» بهتازگی در نشریه Nature Astronomy منتشر شده است.
اعتبار: اینار تیمیریاسوف/مؤسسه نیلز بور»
به طور معمول، فیزیکدانان برای کشف ذرات بنیادی از شتابدهندههای ذرات استفاده میکنند؛ نمونه مشهور آن برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سازمان اروپایی پژوهش هستهای (CERN) در ژنو، سوئیس است. اما ساخت چنین تأسیساتی هزینه هنگفتی دارد و سالها زمان میبرد. به همین دلیل، اخترشناسان و فیزیکدانان در سالهای اخیر پیشنهاد دادهاند از پدیدههای کیهانی به عنوان شتابدهندههای طبیعی بهره بگیرند؛ از جمله ستارههای نوترونی، سیاهچالهها و برخورد بقایای ستارهای.
در همین راستا، تیم دانشگاه کپنهاگ اکنون بر آن شده که از AGNها و میدانهای مغناطیسی کهکشانی برای این منظور استفاده کند.
چالشها و ابتکارهای تازه
البته این کار با چالش بزرگی روبهرو است. اگر در این فرایند اکسیونها تولید شوند، اثر آنها در دادهها تنها به صورت نوساناتی بسیار کوچک و تصادفی نمایان میشود که معمولاً در نویز پسزمینه کیهانی گم میشوند. برای غلبه بر این مشکل، پژوهشگران ۳۲ سیاهچاله ابرپرجرم را در کهکشانهای دوردست رصد کردند؛ این اجرام به لطف پدیده «همگرایی گرانشی» ناشی از خوشههای کهکشانی پیشزمینه قابل مشاهده بودند. سپس دادههای حاصل از این رصدها را با هم ترکیب کردند.
این ترکیب دادهها الگویی پدید آورد که شباهت زیادی به امضای ذرات شبهاکسیون (ALP) داشت. به گفته پروفسور روچایسکی در بیانیهای از دانشگاه کپنهاگ:
«معمولاً سیگنال این ذرات غیرقابلپیشبینی است و بیشتر به صورت نویز تصادفی ظاهر میشود. اما ما دریافتیم که اگر دادههای منابع مختلف را با هم ترکیب کنیم، آن نویز تبدیل به الگویی مشخص و قابلشناسایی میشود. الگویی پلهای و ویژه که میتواند نشاندهنده این تبدیل باشد. در دادههای ما تنها نشانه کوچکی از این سیگنال دیده میشود، اما همین هم بسیار وسوسهانگیز و هیجانانگیز است. میتوان گفت زمزمهای کیهانی است که اکنون به حدی بلند شده که شنیده میشود.»
نشانههایی از پرتو گاما و امیدهای آینده
به طور خاص، دادههای ترکیبشده نشانههایی از پرتوهای گاما را آشکار کردند؛ پرتوهایی که بر اساس نظریه باید هنگام تولید اکسیونها آزاد شوند. گرچه این کشف هنوز اثبات قطعی وجود اکسیونها به شمار نمیرود، اما پژوهش تازه گامی مهم در محدود کردن محدوده جستوجو برای یافتن ذره اسرارآمیز ماده تاریک است.
علاوه بر این، این آزمایش فرصتهای تازهای برای پژوهشهای بیشتر فراهم میکند، بهویژه در زمینه دیگر انواع تابشها مانند پرتو ایکس. دکتر لیدیا زادوروجنا، پژوهشگر پسادکترا و همکار ماری کوری در مؤسسه نیلز بور و از نویسندگان اصلی مقاله، میگوید:
«این روش دانستههای ما درباره اکسیونها را بهطور چشمگیری گسترش داده است. در واقع، به ما اجازه داد محدوده بزرگی را که میدانیم اکسیونها در آن وجود ندارند، مشخص کنیم و به این ترتیب فضای جستوجو برای یافتن آنها محدودتر شد. ما بسیار هیجانزدهایم، زیرا این پیشرفت یکباره نیست. این روش به ما امکان میدهد فراتر از محدودیتهای آزمایشهای قبلی برویم و مسیری تازه برای مطالعه این ذرات گریزان بگشاییم. این تکنیک را ما و دیگر گروههای پژوهشی میتوانیم در بازههای گسترده جرم و انرژی تکرار کنیم. به این شکل، قطعات بیشتری از پازل توضیح ماده تاریک کنار هم قرار خواهد گرفت.»
جمعبندی
اگرچه هنوز راه درازی برای کشف ماهیت دقیق ماده تاریک باقی مانده است، پژوهشهایی از این دست نشان میدهد که اخترشناسان و فیزیکدانان دست از تلاش برنداشتهاند. استفاده از کیهان به عنوان آزمایشگاهی طبیعی و عظیم، ایدهای است که میتواند در نهایت به شناسایی ذره بنیادی تشکیلدهنده ماده تاریک بینجامد. شاید پاسخ پرسشی که بیش از نیمقرن ذهن دانشمندان را درگیر کرده، در اعماق کهکشانهای دوردست پنهان باشد؛ جایی که سیاهچالههای ابرپرجرم با انرژی عظیم خود در سکوتی کیهانی، سرنخهایی از بزرگترین معمای جهان را آشکار میکنند.
