رخدادهای عجیبی که در قلب کهکشان راه شیری مشاهده شدهاند، ممکن است شواهد محکمی از یک نامزد جدید برای ماده تاریک باشند. اگر چنین باشد، دانشمندان ممکن است تأثیرات نامحسوس ماده تاریک، این «چیز» مرموز کیهان، بر شیمی کیهانی را از دست داده باشند.
این نامزد جدید برای ماده تاریک نهتنها سبکتر از سایر نامزدهای فرضی موجود است، بلکه خاصیتی به نام خودنابودی (self-annihilating) دارد. این یعنی زمانی که دو ذره ماده تاریک به هم برخورد کنند، یکدیگر را نابود کرده و یک الکترون با بار منفی و پادمادهی آن، یک پوزیترون با بار مثبت، تولید میکنند.
این فرآیند و سیل الکترونها و پوزیترونهای تولیدشده، انرژی لازم برای یونیزه کردن اتمهای خنثی را تأمین میکند. یونیزه شدن، فرآیندی است که طی آن الکترونها از اتمها جدا میشوند. در گازهای متراکم مرکز کهکشان راه شیری، این فرآیند میتواند توضیحی برای مقدار زیاد گاز یونیزهشده در ناحیهای به نام منطقه مولکولی مرکزی (CMZ) باشد.
حتی اگر پدیدهی نابودی ماده تاریک نادر باشد، منطقی است که این اتفاق در قلب کهکشانها، جایی که تصور میشود ماده تاریک در آن تجمع دارد، بیشتر رخ دهد.
شایام بالاجی، محقق فوق دکتری در کالج کینگز لندن و رهبر این پژوهش، در گفتوگو اظهار داشت:
«ما پیشنهاد میکنیم که ماده تاریکی که سبُکتر از یک پروتون است (ذرهای که در هستهی اتمها یافت میشود)، میتواند مسئول اثرات غیرعادی مشاهدهشده در مرکز کهکشان راه شیری باشد. برخلاف اکثر نامزدهای ماده تاریک که معمولاً از طریق اثرات گرانشیشان بررسی میشوند، این شکل از ماده تاریک ممکن است از طریق یونیزه کردن گاز آشکار شود، یعنی با جدا کردن الکترونها از اتمها در منطقه مولکولی مرکزی (CMZ).»
شیمی ماده تاریک
ماده تاریک تخمین زده میشود که حدود ۸۵٪ از جرم کیهان را تشکیل میدهد، اما با وجود این گستردگی، دانشمندان نمیتوانند آن را به همان شکلی که ماده معمولی را مشاهده میکنند، ببینند. این به این دلیل است که ماده تاریک با نور تعامل ندارد، یا اگر هم داشته باشد، این تعامل بسیار ضعیف و نادر است که قابل شناسایی نیست.
این مسئله نشان میدهد که ماده تاریک نمیتواند از ذرات باریونی مانند الکترونها، پروتونها و نوترونهایی که اتمهای سازندهی ستارگان، سیارات و هر آنچه روزمره در اطراف خود میبینیم را تشکیل میدهند، ساخته شده باشد.
تنها دلیلی که باعث شده دانشمندان وجود ماده تاریک را فرض کنند، این است که این ماده با نیروی گرانش تعامل دارد و این تأثیر بر نور و مادهی معمولی اثر میگذارد.
این موضوع دانشمندان را واداشته است تا بهدنبال ذراتی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات بگردند که ممکن است مسئول ماده تاریک باشند. این ذرات در جرم (بر حسب الکترونولت) و ویژگیهای مختلفی متغیر هستند.
در حال حاضر، آکسیونها و ذرات شبهآکسیون از اصلیترین نامزدهای ماده تاریک محسوب میشوند. اما بالاجی و همکارانش تا حد زیادی احتمال اینکه این ذرات عامل یونیزه شدن گاز در CMZ باشند را رد کردهاند.
«بیشتر مدلهای آکسیون پیشبینی نمیکنند که این ذرات بهطور قابل توجهی به جفتهای الکترون-پوزیترون نابود شوند، در حالی که ماده تاریک پیشنهادی ما این ویژگی را دارد.»
بالاجی ادامه داد:
«نامزد ماده تاریک پیشنهادی ما جرمی کمتر از یک GeV (یک میلیارد الکترونولت) دارد و به الکترونها و پوزیترونها نابود میشود. این ویژگی آن را متمایز میکند، زیرا مستقیماً بر محیط میانستارهای تأثیر میگذارد و یک امضای خاص به شکل یونیزاسیون اضافی ایجاد میکند، چیزی که معمولاً از آکسیونها انتظار نمیرود.»
ماده تاریک: دشمن خود؟
در CMZ متراکم، پوزیترونهای تولیدشده قبل از اینکه بتوانند مسافت زیادی را طی کنند یا فرار کنند، با مولکولهای هیدروژن مجاور واکنش داده و الکترونهای آنها را جدا میکنند. این فرآیند در این ناحیه مرکزی بهطور خاصی کارآمد است.
«بزرگترین مشکلی که این مدل به حل آن کمک میکند، میزان بیش از حد یونیزاسیون در CMZ است.» بالاجی گفت.
«پرتوهای کیهانی که معمولاً عامل یونیزاسیون گاز محسوب میشوند، بهنظر نمیرسد که بهاندازه کافی قوی باشند تا سطوح بالای یونیزاسیونی که مشاهده میکنیم را توضیح دهند.»
علاوه بر این، اگر پرتوهای کیهانی مسئول یونیزه کردن گاز در CMZ بودند، باید انتشار گاما-ری (ذرات نوری با انرژی بسیار بالا) نیز وجود میداشت، اما چنین تابشی در مطالعات CMZ مشاهده نشده است.
«اگر ماده تاریک عامل یونیزاسیون در CMZ باشد، این بدان معناست که ما در حال تشخیص آن نه از طریق دیدن مستقیم، بلکه از طریق تأثیرات شیمیایی نامحسوس آن بر گازهای کهکشان خود هستیم.»
این تنها آغاز راه برای این نامزد ماده تاریک است
البته، این نامزد جدید ماده تاریک تازه در آغاز مسیر نظری خود قرار دارد و حتی هنوز نام جذابی مانند WIMP (ذره پرجرم با برهمکنش ضعیف) یا MACHO (جرم هالهای فشرده عظیم) ندارد!
بالاجی گفت:
«ما به اندازهگیریهای دقیقتری از یونیزاسیون در CMZ نیاز داریم. اگر بتوانیم نقشهای دقیقتر از توزیع یونیزاسیون ترسیم کنیم، میتوانیم بررسی کنیم که آیا این توزیع با توزیع مورد انتظار ماده تاریک مطابقت دارد یا خیر.»
علاوه بر این، تلسکوپ فضایی گاما-ری COSI (Compton Spectrometer and Imager) ناسا که قرار است در سال 1406 پرتاب شود، میتواند شواهد بیشتری دربارهی ارتباط بین نابودی ماده تاریک و انتشارهای غیرمعمول در CMZ ارائه دهد.
بالاجی در پایان گفت:
«ماده تاریک همچنان یکی از بزرگترین معماهای فیزیک است و این پژوهش نشان میدهد که ممکن است اثرات شیمیایی ظریف آن بر کیهان را نادیده گرفته باشیم. اگر این نظریه درست باشد، میتواند دریچهای کاملاً جدید برای مطالعهی ماده تاریک بگشاید، نه فقط از طریق تأثیرات گرانشی آن، بلکه از طریق تأثیراتی که بر ساختار کهکشان ما دارد.»
این پژوهش روز دوشنبه (20 اسفند) در مجله Physical Review Letters منتشر شد.