يكتشف علماء الفلك ارتباطًا جديدًا بين المادة المظلمة وتكتل الكون

في دراسة نشرت اليوم في مجلة علم الكونيات والفيزياء الفلكيةكشف باحثون في جامعة تورنتو عن اختراق نظري قد يفسر كلاً من طبيعة المادة المظلمة غير المرئية والهيكل الواسع النطاق للكون المعروف باسم الشبكة الكونية. تؤسس النتيجة رابطًا جديدًا بين هاتين المشكلتين القديمتين في علم الفلك ، مما يفتح إمكانيات جديدة لفهم الكون.

يقترح البحث أن “مشكلة التكتل” ، التي تركز على التوزيع المتساوي غير المتوقع للمادة على نطاقات كبيرة في جميع أنحاء الكون ، قد تكون علامة على أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات افتراضية فائقة الخفة تسمى الأكسيونات. تمتد الآثار المترتبة على إثبات وجود محاور يصعب اكتشافها إلى ما هو أبعد من فهم المادة المظلمة ويمكن أن تعالج أسئلة أساسية حول طبيعة الكون نفسه.

يقول المؤلف الرئيسي كير روجرز ، زميل دنلاب في معهد دنلاب للفلك والفيزياء الفلكية في كلية الفنون والفيزياء الفلكية ، “إذا تأكدت من خلال ملاحظات التلسكوب المستقبلية والتجارب المعملية ، فإن العثور على المادة المظلمة الأكسيون سيكون أحد أهم الاكتشافات في هذا القرن”. العلوم في جامعة تورنتو.

“في الوقت نفسه ، تشير نتائجنا إلى تفسير لسبب كون الكون أقل تكتلًا مما كنا نظن ، وهي ملاحظة أصبحت أكثر وضوحًا على مدار العقد الماضي أو نحو ذلك ، وتترك حاليًا نظريتنا عن الكون غير مؤكدة.”

المادة المظلمة ، التي تشكل 85٪ من كتلة الكون ، غير مرئية لأنها لا تتفاعل مع الضوء. يدرس العلماء آثار الجاذبية على المادة المرئية لفهم كيفية توزيعها في الكون.

تقترح إحدى النظريات الرائدة أن المادة المظلمة مصنوعة من أكسيونات ، موصوفة في ميكانيكا الكم بأنها “غامضة” بسبب سلوكها الشبيه بالموجة. على عكس الجسيمات الشبيهة بالنقاط المنفصلة ، يمكن أن يكون للأكسيونات أطوال موجية أكبر من المجرات بأكملها. يؤثر هذا الغموض على تكوين وتوزيع المادة المظلمة ، مما قد يفسر سبب كون الكون أقل تكتلًا مما هو متوقع في كون بدون محاور.

لوحظ هذا النقص في التكتل في استطلاعات المجرات الكبيرة ، مما يتحدى النظرية السائدة الأخرى القائلة بأن المادة المظلمة تتكون فقط من جسيمات دون ذرية ثقيلة ضعيفة التفاعل تسمى WIMPs. على الرغم من التجارب مثل مصادم الهادرونات الكبير ، لم يتم العثور على دليل يدعم وجود WIMPs.

يقول روجرز: “في العلم ، عندما تتفكك الأفكار ، يتم إجراء اكتشافات جديدة ويتم حل المشكلات القديمة”.

بالنسبة للدراسة ، قام فريق البحث – بقيادة روجرز ، والذي يضم أعضاء من المجموعة البحثية للأستاذ المساعد رينيه هلوتشيك في معهد دنلاب ، وكذلك من جامعة بنسلفانيا ، ومعهد الدراسات المتقدمة ، وجامعة كولومبيا وكينغز كوليدج لندن – بتحليل ملاحظات ضوء بقايا من الانفجار العظيم ، والمعروف باسم الخلفية الكونية الميكروية (CMB) ، تم الحصول عليها من مسوحات Planck 2018 وتلسكوب Atacama Cosmology و South Pole Telescope.

قارن الباحثون بيانات CMB هذه ببيانات عناقيد المجرات من Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) ، الذي يرسم مواقع ما يقرب من مليون مجرة ​​في الكون القريب. من خلال دراسة توزيع المجرات ، التي تعكس سلوك المادة المظلمة تحت قوى الجاذبية ، قاموا بقياس التقلبات في كمية المادة في جميع أنحاء الكون وأكدوا انخفاض تكتلها مقارنة بالتنبؤات.

ثم أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية للتنبؤ بظهور الضوء البقايا وتوزيع المجرات في كون ذي موجات طويلة من المادة المظلمة. تتماشى هذه الحسابات مع بيانات CMB من بيانات الانفجار العظيم وتجمع المجرات ، مما يدعم فكرة أن المحاور الغامضة يمكن أن تفسر مشكلة التكتل.

ستشمل الأبحاث المستقبلية مسوحات واسعة النطاق لرسم خرائط لملايين المجرات وتوفير قياسات دقيقة للتكتل ، بما في ذلك الملاحظات على مدى العقد المقبل مع مرصد روبن.

يأمل الباحثون في مقارنة نظريتهم بالملاحظات المباشرة للمادة المظلمة من خلال عدسة الجاذبية ، وهو تأثير يُقاس فيه تكتل المادة المظلمة بمدى انحناء الضوء من المجرات البعيدة ، على غرار عدسة مكبرة عملاقة. يخططون أيضًا للتحقيق في كيفية طرد المجرات للغاز إلى الفضاء وكيف يؤثر ذلك على توزيع المادة المظلمة لتأكيد نتائجهم بشكل أكبر.

يعد فهم طبيعة المادة المظلمة أحد الأسئلة الأساسية الأكثر إلحاحًا والمفتاح لفهم أصل الكون ومستقبله.

في الوقت الحاضر ، ليس لدى العلماء نظرية واحدة تشرح في نفس الوقت الجاذبية وميكانيكا الكم – نظرية كل شيء. النظرية الأكثر شيوعًا لكل شيء على مدار العقود القليلة الماضية هي نظرية الأوتار ، والتي تفترض مستوى آخر أدنى من المستوى الكمي ، حيث يتكون كل شيء من إثارة طاقة تشبه الأوتار. وفقًا لروجرز ، فإن اكتشاف جسيم محوري غامض يمكن أن يكون تلميحًا إلى أن نظرية الأوتار لكل شيء صحيحة.

يقول روجرز: “لدينا الآن الأدوات التي يمكن أن تمكننا أخيرًا من فهم شيء تجريبيًا حول لغز المادة المظلمة الذي يعود إلى قرن من الزمان ، حتى في العقد القادم أو نحو ذلك – ويمكن أن يعطينا ذلك تلميحات لإجابات حول أسئلة نظرية أكبر”. . “الأمل هو أن العناصر المحيرة للكون قابلة للحل.”