استفاده از برخوردهای خوشه کهکشانی: آیا می‌توانیم به عنوان آشکارساز ماده تاریک از آن‌ها بهره‌برداری کنیم؟

آیا ماده تاریک با خودش تعامل دارد؟ پاسخ ممکن است در خوشه های وسیع کهکشان های در حال برخورد باشد.

ماده تاریک به طور بدنام ضد اجتماعی است، از تعامل با نور و ماده ‘عادی’ خودداری می کند و آن را به طور موثر نامرئی می کند. اما چیزی که دانشمندان در مورد آن مطمئن نیستند این است که آیا ماده تاریک با خودش تعامل دارد یا خیر.

اگر هر ذره‌ای که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند، با برخورد، و احتمالاً حتی نابودی یکدیگر، با یکدیگر تعامل داشته باشند، تحقیقات جدید نشان می‌دهد که خوشه‌های کهکشانی می‌توانند به عنوان برخوردکننده‌های طبیعی ماده تاریک مورد استفاده قرار گیرند. این روش تشخیص ماده تاریک وابسته به این است که دو تا از این گروه‌های وسیع کهکشان‌ها با یکدیگر برخورد کرده و با یکدیگر برخورد کنند.

از آنجایی که این خوشه‌های کهکشانی مملو از ماده تاریک هستند، اخترشناسان می‌توانند این مکان‌های سقوط کیهانی را بررسی کنند تا نشانه‌های احتمالی از تعامل ماده تاریک با خود را پیدا کنند.

در حالی که چنین سرنخی دقیقاً به ما نمی‌گوید که چه ذرات ماده تاریک را تشکیل می‌دهند، به حذف مدل‌های ماده تاریک که اجازه تعامل با خود را نمی‌دهند کمک می‌کند و محققان را به کاندیدای ماده تاریک واقعی نزدیک‌تر می‌کند.

ژاکلین مک کلیری، استادیار فیزیک دانشگاه نورث ایسترن، در بیانیه ای گفت: خوشه های کهکشانی نیز تحت سلطه ماده تاریک هستند». ۸۰ تا ۹۰ درصد جرم آنها را ماده تاریک تشکیل می دهد و هرچه جرم یک جسم بیشتر باشد، ذرات ماده تاریک سازنده سریعتر حرکت می کنند.

آیا ذرات ماده تاریک «ارواح کیهانی» ضد اجتماعی هستند؟

فقدان تعاملات چیزی است که درک ماده تاریک را بسیار چالش برانگیز می کند. علیرغم تشکیل بیش از ۸۰ درصد از جهان مادی و ایجاد تأثیر گرانشی که به معنای واقعی کلمه از دور شدن کهکشان ها جلوگیری می کند، ماده تاریک عملاً نامرئی است زیرا با نور تعامل ندارد. به همین ترتیب، ذرات ماده تاریک از میان ذرات ماده مانند ارواح کیهانی می لغزند.

این ویژگی‌های ضداجتماعی دانشمندان را به درک این نکته سوق داده است که ماده تاریک نمی‌تواند از اتم‌های متشکل از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها که با نور و با یکدیگر تعامل دارند، ساخته شود. این جرقه جستجو برای یک ذره کاندید ماده تاریک قابل دوام است.

مک کلیری گفت: «همه چیز در جهان یک ذره و یک موج و یک میدان است، بنابراین [فرض] مبنا ماده تاریک باید یک ذره باشد». ‘سوال این است که چه نوع ذره ای به عنوان ‘ذره’ بسیار مبهم است.’

ذرات کاندید از «ذرات پرجرم با تعامل ضعیف» یا «WIMPS» تا «اجرای هاله فشرده عظیم» یا «MACHOs» (شما دانشمندان را می‌بینیم)، تا ذرات ریز و نزدیک به بی‌جرم به نام اکسیون‌ها یا نوترینوهای استریل را شامل می‌شود. حتی سیاهچاله های ریز باقی مانده از بیگ بنگ به نام سیاهچاله های اولیه نیز به عنوان کاندیدای ماده تاریک در نظر گرفته شده اند.

مشکل این است که همه این مظنونان از شناسایی سرپیچی کرده اند و بنابراین به طرز ناامیدکننده ای فرضی باقی می مانند.

ماهیت فانتوم مانند ماده تاریک به این معنی است که ما نمی توانیم فقط ذرات ماده تاریک را در یک شتاب دهنده ذرات روی زمین، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون بارگذاری کنیم.
(LHC)، تا آنها را با هم خرد کند و ترکیب آنها را مشخص کند.

بنابراین، در حالی که LHC برخی از اسرار به اصطلاح ‘مدل استاندارد فیزیک ذرات’ را با شکستن پروتون‌ها و مشاهده بارش ذرات متعاقب آن کشف کرده است، ماده تاریک که فراتر از این مدل قرار دارد، به نظر می‌رسد که از قالب جدول قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات جهان خارج شده است.

تنها راهی که می‌توانیم وجود ماده تاریک را تشخیص دهیم، از طریق برهم‌کنش‌هایی است که به نظر می‌رسد در آن درگیر است. ماده تاریک دارای جرم است و به همین دلیل، فضا-زمان را منحرف می‌کند (یکپارچگی چهار بعدی زمان و مکان)، که این امر موجب ایجاد تأثیر گرانشی می‌شود.

این تأثیر می تواند به ماده و نور روزمره بگوید که چگونه حرکت کند، و ما می توانیم آن را تشخیص دهیم. از طریق این رویکرد غیرمستقیم است که می دانیم کهکشان ها توسط هاله های عظیم ماده تاریک احاطه شده اند و ماده تاریک نیز در مقادیر فراوان در نزدیکی هسته کهکشان ها وجود دارد.

دانشمندان همچنین این تئوری را مطرح می‌کنند که وقتی کهکشان‌ها در خوشه‌های وسیعی در کنار هم قرار می‌گیرند، این نتیجه گره‌های گسترده‌ای از ماده تاریک نامرئی است که مانند تار نامرئی که توسط یک عنکبوت کیهانی می‌چرخد، در سراسر جهان پخش می‌شود. این شبکه کیهانی همچنین به کهکشان‌های منفرد کمک می‌کند تا جرم جمع کنند و رشد کنند، زیرا تأثیر گرانشی آن به ماده معمولی می‌کشد.

مک کلیری و همکارانش پیشنهاد کردند که از شتاب دهنده ذرات ساخته شده توسط انسان به نفع شتاب دهنده طبیعی خودداری شود. آنها استدلال می کنند که اگر خوشه های کهکشانی و ماده تاریک همراه با آنها با نیروی کافی برخورد کنند، فعل و انفعالات ماده تاریک قابل تشخیص ممکن است رخ دهد – اگر واقعا ماده تاریک با خودش تعامل داشته باشد.

این فعل و انفعالات می تواند به سادگی ذرات ماده تاریک باشد که با یکدیگر برخورد می کنند و به یکدیگر می پرند یا می توانند منجر به نابودی متقابل و جرقه ای از انرژی شوند. هنگامی که ذرات و پادذرات – مثلاً یک الکترون و پادذره آن به نام پوزیترون – به هم می رسند، یکدیگر را نابود می کنند و انرژی موجود در آنها آزاد می شود. برخی از مدل‌های ماده تاریک نشان می‌دهند که این ماده پادذره خودش است، به این معنی که یکی از شکل‌های برهمکنش می‌تواند از بین رفتن خود ناشی از برخورد دو ذره ماده تاریک باشد.

برای آزمایش این ایده، تیم شبیه‌سازی‌هایی از برخورد خوشه‌های کهکشانی بر روی رایانه‌هایی ایجاد کردند که به اندازه کافی قدرتمند بودند تا برخوردها را تا برهم‌کنش‌های ذره-ذره بررسی کنند. این نیاز به برنامه ریزی شبیه سازی با مدل های فیزیکی برهمکنش بین ستاره ها، گاز و ماده تاریک داشت.

با استفاده از این شبیه‌سازی و سایر شبیه‌سازی‌ها، دانشمندان می‌توانند یک نقشه راه برای مشاهده برخوردهای واقعی ماده تاریک بسازند. از آنجا، محققان می‌توانند سرنخ‌هایی را جمع‌آوری کنند که به آن‌ها کمک می‌کند برخی از ویژگی‌های پایه را که یک ذره ماده تاریک فرضی باید داشته باشد را تعیین کنند. این می تواند مظنونان ماده تاریک را محدود کند.

مک کلیری می‌گوید: «اگر می‌توانید مقداری برهم‌کنش با خود را اندازه‌گیری کنید، یا اگر بتوانید حد بالایی قرار دهید، در حال رد کردن یا حکم بر طبقاتی از ذرات هستید که ماده تاریک می‌تواند باشد». اگر مقداری تعامل با خود را اندازه گیری کنید، آنگاه دسته دیگری از ذرات را وارد می کنید.

آنچه این مقاله همچنین می‌گوید این است که اگر مجموعه‌ای از مثلاً ۱۰۰ خوشه کهکشانی را مطالعه کنید که در حال ادغام هستند، شانس اندازه‌گیری برهم‌کنش خود ماده تاریک را تا حدی خواهید داشت.

‘در ابتدا غیر منطقی به نظر می رسد زیرا ما همیشه یک پاسخ مثبت می خواهیم: چیست؟’ مک کلیری نتیجه گرفت. ‘اما در این مورد، ما به نوعی مجبور هستیم که بگوییم، چه چیزی نیست؟ این یک روند حذف است.’

تحقیقات این تیم در ماه آوریل در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد.