ماده تاریک یکی از عواملی است که پدیده «عدسی گرانشی» را اینقدر مؤثر میسازد. انتظار میرود تلسکوپ فضایی «نانسی گریس رومن» حدود ۱۶۰هزار عدسی گرانشی کشف کند و ماده تاریک نقش کلیدی در شکلگیری این عدسیها دارد.
ماده تاریک نه تنها بخشی از این عدسیهای گرانشی است، بلکه به شکل جالبی خود این عدسیها نیز برای مطالعه ماده تاریک به کار گرفته خواهند شد. در پدیده عدسی گرانشی، خوشههای عظیم کهکشانی در پیشزمینه مانند ذرهبینی عظیم عمل میکنند و اجرام بسیار دورتر را در پسزمینه بزرگنمایی میکنند. از آنجا که ماده تاریک حدود ۸۵٪ از جرم یک خوشه کهکشانی را تشکیل میدهد (و در برخی موارد حتی بیشتر)، بدون آن، عدسی گرانشی چندان مؤثر نبود. همین استفاده از ماده تاریک برای ایجاد بزرگنمایی گرانشی، خود میتواند به دانشمندان در شناخت بیشتر آن کمک کند.
تحقیقات جدیدی که در نشریه The Astrophysical Journal منتشر شده، نشان میدهد که تلسکوپ فضایی رومن قادر خواهد بود حدود ۱۶۰هزار عدسی گرانشی قوی را شناسایی کند. این مقاله با عنوان «نمای رومن از عدسیهای گرانشی قوی» توسط برایس ودیگ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی فیزیک در دانشگاه واشنگتن در سنلوئیس، نگاشته شده است.
عدسیهای گرانشی قوی زمانی شکل میگیرند که هر سه عنصر: ناظر، عدسی گرانشی (مثلاً یک کهکشان)، و جرم دوردست در پسزمینه بهصورت کاملاً همراستا قرار گیرند. این نوع عدسیها نسبت به نمونههای ضعیفتر، بزرگنمایی چشمگیرتری دارند. گرچه تلسکوپ رومن حدود ۱۶۰هزار عدد از این عدسیها را تشخیص خواهد داد، محققان تخمین میزنند که تنها حدود ۵۰۰ مورد از آنها بهاندازه کافی دقیق هستند تا برای بررسی ساختار ماده تاریک در مقیاسهای کوچک مورد استفاده قرار گیرند.
محققان مینویسند: «عدسیهای گرانشی کهکشانبهکهکشان میتوانند مدلهای ماده تاریک و پارادایم کیهانشناسی ΛCDM (لامبدای ماده تاریک سرد) را در مقیاسهای زیر کهکشانی محدود کنند». در حال حاضر، ستارهشناسان به دلیل کمبود عدسیهای قوی با نسبت سیگنال به نویز بالا و وضوح زاویهای مناسب، نمیتوانند چنین بررسیهایی را انجام دهند. اما تلسکوپ رومن این وضعیت را تغییر خواهد داد. آنها توضیح میدهند: «با میدان دید ۰٫۲۸۱ درجه مربعی و وضوح زاویهای در حد پراش ~۰٫۱ ثانیه قوسی، رومن بهطور منحصربهفردی برای مشخصکردن ساختار زیرین ماده تاریک از جمعیت قابل اعتماد عدسیهای قوی مناسب است».
برایس ودیگ در بیانیهای میگوید: «تعداد فعلی این عدسیها که توسط تلسکوپهای دیگر شناسایی شدهاند نسبتاً کم است، چون برای ایجاد آنها باید دو کهکشان تقریباً در امتداد خط دید ما کاملاً همتراز باشند. بیشتر تلسکوپها یا میدان دید کوچکی دارند یا دقتشان پایینتر است و تشخیص این عدسیها را دشوار میکند.»
اعتبار تصویر: ویدیک و همکاران، ۲۰۲۵، مجله اخترفیزیک
این پروژه بخشی از «پیمایش گسترده نواحی با عرض زیاد» (HLWAS) است که یکی از سه پیمایش اصلی تلسکوپ رومن به شمار میرود. در مدت حدود ۱٫۵ سال، این تلسکوپ با استفاده از فیلترها و طیفسنجی، حدود ۱۲٪ از کل آسمان را تصویربرداری خواهد کرد و بیش از یک میلیارد کهکشان را آشکار خواهد ساخت. پژوهشگران با شبیهسازی HLWAS نشان دادند چگونه این پیمایش قادر خواهد بود عدسیهای گرانشی قوی را شناسایی کند. آنها نوشتند: «ما جمعیتی از عدسیهای کهکشانبهکهکشان را در طول زمان کیهانی با زیرساختارهای ماده تاریک سرد شبیهسازی میکنیم، آنهایی را که در HLWAS قابل تشخیص هستند انتخاب کرده و تصاویر شبیهسازیشدهای با درنظرگرفتن اثرات واقعگرایانه آشکارساز ابزار میدان وسیع تولید میکنیم.»
این ۵۰۰ عدسی برای بررسی ماده تاریک در مقیاسهای کوچک به کار خواهند رفت. جالب آنکه ماده تاریکی که بررسی میشود نه در کهکشان دوردست بلکه در عدسی گرانشی پیشزمینهای قرار دارد.
(تصویر: ناسا، برایس ویدیک، تانسو دایلان و جوزف دپاسکوال)
تانسو دیلان، از محققان اصلی پروژه و استاد فیزیک در دانشگاه واشنگتن، میگوید: «رومن نه تنها اندازه نمونههای ما را بهطور چشمگیری افزایش خواهد داد، بلکه تصاویر دقیق و وضوح بالای آن به ما این امکان را میدهد که عدسیهای گرانشی کوچکتر را نیز شناسایی کنیم. در نهایت، همراستایی و روشنایی کهکشانهای پسزمینه باید به سطحی برسد که بتوانیم ماده تاریک را در کهکشانهای پیشزمینه مشخص کنیم.»
این مشاهدات دقیق میتواند به برخی مسائل مربوط به نظریه ΛCDM پاسخ دهد؛ نظریهای که اگرچه در توصیف ساختارهای کلان کیهان موفق است، اما در مقیاسهای کوچک با چالشهایی روبهروست. مثلاً، این مدل پیشبینی میکند که باید تعداد زیادی کهکشان کوتوله اطراف کهکشانهای بزرگی مانند راهشیری وجود داشته باشد، اما در واقعیت آنها را نمیبینیم. با استفاده از ۵۰۰ عدسی قوی، تلسکوپ رومن میتواند خمیدگی نور توسط هالههای کوچک ماده تاریک را نیز آشکار کند. اگر این خمیدگیها دیده شوند، اعتبار مدل ΛCDM تقویت میشود.
ودیگ میگوید: «یافتن عدسیهای گرانشی و آشکارسازی تودههای کوچک ماده تاریک در آنها مثل بازی با احتمالهای بسیار پایین است. اما با رومن، میتوانیم تور بزرگی بیندازیم و بارها خوششانس باشیم. ما ماده تاریک را در تصاویر نمیبینیم – چون نامرئی است – اما میتوانیم اثراتش را اندازهگیری کنیم.»
مسئله ماده تاریک در نهایت به یک پرسش کلیدی میرسد: این ماده از چه ذرهای (یا ذراتی) تشکیل شده است؟ برخی گزینههای احتمالی شامل ذرات WIMP (ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف)، آکسیونها، و نوترینوهای سترون هستند.
دیلان میافزاید: «در نهایت، سؤالی که ما میخواهیم به آن پاسخ دهیم این است که: ماده تاریک دقیقاً از چه نوع ذرهای ساخته شده است؟ گرچه برخی ویژگیهای ماده تاریک شناخته شدهاند، اما اساساً هنوز نمیدانیم ترکیب آن چیست. تلسکوپ رومن به ما کمک خواهد کرد تا بفهمیم ماده تاریک در مقیاسهای کوچک چگونه توزیع شده و از این طریق به ماهیت ذرهای آن پی ببریم.»
شناسایی زیرهالههای کوچک ماده تاریک برای درک مدل CDM بسیار حیاتی است. نویسندگان مقاله مینویسند: «تشخیص یکتکهای زیرهالهها برای محدودکردن WDM (ماده تاریک گرم)، کسر جرم زیرساختاری در CDM و ساختار چگالی زیرهالهها به کار میرود.» WDM درواقع نسخهای از CDM است که در آن ذرات ماده تاریک دارای سرعت اولیهای هستند.
نویسندگان اشاره میکنند که HLWAS توانایی آشکارسازی زیرهالههایی با جرم کمتر از ۱۰ میلیارد جرم زمین را ندارد، اما یکی دیگر از پیمایشهای اصلی تلسکوپ رومن، به نام پیمایش ناحیهای-زمانی عرض بالا (HLTDS) ممکن است قادر به این کار باشد، هرچند جزئیات آن هنوز نهایی نشده است.
پیش از پرتاب تلسکوپ رومن، پژوهشگران از دادههای دیگر تلسکوپها نظیر رصدخانه ورا روبین و تلسکوپ فضایی اقلیدوس استفاده خواهند کرد. سایمون بیرر، استاد دانشگاه استونی بروک و از همکاران این پروژه، میگوید: «وقتی تصاویر رومن در دسترس قرار بگیرد، آنها را با تصاویر نوری تلسکوپهایی مانند اقلیدوس، روبین و هابل ترکیب میکنیم تا بیشترین اطلاعات ممکن را از این کهکشانها به دست آوریم.»
در نهایت، دیلان میگوید: «ما مرزهای آنچه میتوان مشاهده کرد را گسترش خواهیم داد و از هر عدسی گرانشیای که با رومن پیدا میکنیم برای کشف ماهیت ذرهای ماده تاریک بهره خواهیم گرفت.»
