این یافتهای است که پژوهشی جدید پیشنهاد میدهد.
بر پایهی این پژوهش نظری، ماده تاریک — مادهای اسرارآمیز و نامرئی که بخش بزرگی از جرم جهان را تشکیل میدهد — ممکن است به جای اینکه صرفاً در فضا پخش باشد، به تودههایی چرخان با شبکهای از گردابههای بسیار کوچک تبدیل شود.
این نتایج که در 9 خرداد در ژورنال Physical Review D منتشر شدهاند، دیدگاه تازهای درباره رفتار عجیب «ماده تاریک فوقسبک» ارائه میدهند؛ مادهای فرضی که از ذرات بنیادی بسیار سبک تشکیل شده است.
ماده تاریکِ خاص
برخلاف تصور رایج که ماده تاریک را ابری از ذرات سنگین و کند بدون ساختار درونی میداند، این پژوهش به نوعی از ماده تاریک میپردازد که از ذراتی بسیار سبکتر از یک میلیونیم جرم الکترون ساخته شدهاند. این ذرات، در صورت داشتن برهمکنشهای دافعه بسیار ضعیف با یکدیگر، میتوانند همانند یک سیال کوانتومی رفتار کنند.
این رفتار سیالمانند اجازه میدهد ساختارهایی به نام «سولیتون» شکل بگیرند — ساختارهایی فشرده و منسجم که در آن نیروی گرانش به درون با فشار ناشی از برهمکنشهای داخلی ذرات متعادل میشود.
فیلیپ براکس، فیزیکدان نظری از دانشگاه پاریس-ساکله و یکی از نویسندگان این مطالعه، میگوید:
«سولیتونها راهحلهای کلاسیکی معادلات حرکت هستند. آنها مانند تعادل هیدرواستاتیکی خورشید عمل میکنند، جایی که نیروی گرانش با فشار داخلی متعادل میشود.»
بسته به جرم واقعی ذرهی ماده تاریک (که هنوز ناشناخته است)، این سولیتونها میتوانند از اندازهی یک ستاره تا کل یک کهکشان گسترده باشند. در موارد بزرگتر، آنها ممکن است بتوانند توضیح دهند چرا مرکز کهکشانها چگالی ماده تاریک کمتری نسبت به آنچه نظریه پیشبینی میکند دارند — مسئلهای دیرینه در کیهانشناسی.
از ابرهای چرخان تا شبکههای گردابهای
پژوهشگران در شبیهسازیهای خود بررسی کردند که اگر ابرهای ماده تاریک فوقسبک بچرخند چه رخ میدهد. نتیجه شگفتانگیز بود: بهجای چرخش نرم و یکنواخت همانند طوفان یا کرهای جامد، سولیتونها شبکهای درونی از گردابههای میکروسکوپی تشکیل دادند.
پاتریک والاژآس، دیگر نویسنده مقاله، میگوید:
«وقتی شرایط اولیه بهگونهای باشد که ابر ماده تاریک در حال چرخش باشد، نتیجه نهایی، یک سولیتون چرخان در مرکز هالهی فروپاشیدهشده است. این سولیتون شکلی تخت (بیضوی) دارد که با محور چرخش اولیه همراستا است و چرخشی شبیه به جسم صلب دارد که توسط گردابههای کوانتیده پشتیبانی میشود.»
این گردابهها شبیه بادهای چرخان یا گردابهای آبی نیستند؛ بلکه همانند خطوط گردابهی کوانتیده در ابرشارههایی مانند هلیوم مایع هستند، جایی که چرخش نه بهصورت کل، بلکه از طریق آرایهای منظم از رشتههای چرخان گسسته انجام میشود.
در مرکز هر گردابه، چگالی ماده تاریک به صفر میرسد، و این گردابهها در کنار هم الگوی منظمی همانند شبکه بلوری شکل میدهند.
والاژآس میگوید:
«شبیهسازیهای ما نشان میدهد این خطوط گردابه با تکانه زاویهای کلی همراستا هستند و در مدارهای دایرهای درون سولیتون حرکت میکنند. این چرخش، شبیه باد ملایم نیست بلکه بیشتر مانند بستهای از گردبادهای میکروسکوپی است که به شکل یک الگوی بلوری چیده شدهاند.»
آیا گردابهها میتوانند جهان را شکل داده باشند؟
یکی از ایدههای جالبی که پژوهشگران مطرح کردند، این است که شاید برخی از این ساختارهای گردابهای بسیار کوچک، پیامدهایی در مقیاسهای کیهانی داشته باشند.
آنها گمان کردند که شاید برخی از خطوط گردابه از مرز یک هاله فراتر بروند و کهکشانها را از طریق رشتههای عظیم ماده تاریک — یعنی همان «شبکه کیهانی» — به یکدیگر متصل کنند.
براکس در این باره میگوید:
«در این مرحله، اینکه برخی از این خطوط گردابه بتوانند هالههای مختلف را از طریق رشتههای شبکهی کیهانی به هم متصل کنند، فقط یک فرضیه است.»
اما اگر درست باشد، ممکن است این بدان معنا باشد که اثرات کوانتومی در ماده تاریک بهطور نامحسوس بر نحوهی تراز شدن و حرکت کهکشانها در این ساختارهای بزرگ اثر میگذارند.
چطور میتوان آنها را یافت؟
یافتن این ساختارهای گردابهای بسیار دشوار است. چون ماده تاریک نه نور گسیل میکند و نه جذب، دانشمندان فقط از طریق اثرات گرانشی آن بر مادهی مرئی مانند ستارگان و گازها میتوانند حضورش را تشخیص دهند.
با این حال، ممکن است این گردابهها تأثیراتی قابل مشاهده داشته باشند. براکس میگوید:
«این گردابهها با افتهایی در چگالی ماده تاریک همراه هستند. بنابراین، در پتانسیل گرانشی نیز ویژگیهای مشخصی بهجا میگذارند که میتواند مدار ستارگان یا ابرهای گازی در کهکشانهایی مانند راهشیری را تحت تأثیر قرار دهد.»
در برخی سناریوهای فراتر، اگر ماده تاریک حتی بهطور ضعیف با ماده معمولی یا نور برهمکنش داشته باشد، شاید گردابهها بتوانند نشانههای مستقیمتری نیز از خود بهجا بگذارند — اما این پرسشی است که هنوز پاسخی قطعی ندارد.
این گروه قصد دارد بررسی کند که آیا میتوان این شبکههای گردابهای پیشبینیشده را از طریق مشاهدات نجومی تشخیص داد و آیا واقعاً به رشتههای کیهانیای که در سراسر فضا کشیده شدهاند، متصل هستند یا نه.
در حال حاضر، این گردبادهای شبحوار همچنان نامرئیاند — اما با پیشرفت نظریه و فناوری، شاید روزی دانشمندان دریابند که کیهان نهتنها از مادهی نادیدنی پر شده، بلکه با نخهایی چرخان از جنس کوانتومی نیز بافته شده است.