يعتقد الفيزيائيون أن معظم المادة في الكون تتكون من أشياء غير مرئية نعرف أنها موجودة فقط من خلال تأثيرها غير المباشر على النجوم والمجرات التي يمكننا رؤيتها.
نحن لسنا مجانين! بدون هذه “المادة المظلمة” ، سيكون الكون كما نراه بلا معنى.
لكن طبيعة المادة المظلمة لغز طويل الأمد. لكن، دراسة جديدة بقلم ألفريد أمروث من جامعة هونغ كونغ وزملاؤه ، نُشر في علم الفلك الطبيعييستخدم الانحناء الثقالي للضوء لتقريبنا من الفهم.
غير مرئي ولكنه موجود في كل مكان
سبب اعتقادنا بوجود المادة المظلمة هو أننا نستطيع رؤية آثار جاذبيتها على سلوك المجرات. على وجه التحديد ، يبدو أن المادة المظلمة تشكل حوالي 85٪ من كتلة الكون ، ويبدو أن معظم المجرات البعيدة التي يمكننا رؤيتها تبدو محاطة بهالة من المادة الغامضة.
لكنها تسمى المادة المظلمة لأنها لا تصدر الضوء أو تمتصه أو تعكسه ، مما يجعل من الصعب للغاية اكتشافها.
إذن ما هذا الشيء؟ نعتقد أنه يجب أن يكون نوعًا من الجسيمات الأساسية غير المعروفة ، لكننا لسنا متأكدين بعد ذلك. حتى الآن ، فشلت جميع محاولات اكتشاف جسيمات المادة المظلمة في التجارب المعملية ، وناقش الفيزيائيون طبيعتها لعقود.
اقترح العلماء اثنين من المرشحين الافتراضيين الرئيسيين للمادة المظلمة: شخصيات ثقيلة نسبيًا تسمى الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (أو WIMPs) وجسيمات خفيفة للغاية تسمى الأكسيونات. من الناحية النظرية ، سوف تتصرف WIMPs مثل الجسيمات المنفصلة ، بينما تتصرف المحاور إلى حد كبير مثل الموجات بسبب التداخل الكمي.
كان من الصعب التمييز بين هذين الاحتمالين ، لكن انحناء الضوء الآن حول المجرات البعيدة قدم دليلًا.
عدسة الجاذبية وحلقات أينشتاين
عندما يمر الضوء عبر الكون أمام جسم ضخم مثل المجرة ، فإن مساره يكون منحنيًا لأنه ، وفقًا لنظرية ألبرت أينشتاين للنسبية العامة ، فإن جاذبية الجسم الهائل تشوه الزمان والمكان من حوله.
نتيجة لذلك ، في بعض الأحيان عندما ننظر إلى مجرة بعيدة ، يمكننا أن نرى صورًا مشوهة لمجرات أخرى خلفها. وإذا اصطفت الأمور بشكل مثالي ، سينتشر الضوء القادم من الخلفية في دائرة حول أقرب مجرة.
يسمى هذا التشويه للضوء “عدسات الجاذبية” ، والدوائر التي يمكن أن تخلقها تسمى “حلقات أينشتاين”.
من خلال دراسة كيفية تشوه الحلقات أو صور العدسات الأخرى ، يمكن لعلماء الفلك معرفة المزيد عن خصائص هالة المادة المظلمة المحيطة بأقرب مجرة.
أكسيونات مقابل WIMP
وهذا بالضبط ما فعله أمروث وفريقه في دراستهم الجديدة. لقد نظروا في عدة أنظمة حيث كانت تظهر نسخ متعددة من نفس الكائن في الخلفية حول مجرة العدسة الأمامية ، مع التركيز بشكل خاص على نظام يسمى HS 0810 + 2554.
باستخدام النمذجة التفصيلية ، حددوا كيفية تشويه الصور إذا كانت المادة المظلمة مكونة من WIMPs مقارنةً بما ستكون عليه إذا كانت المادة المظلمة مكونة من أكسيونات. لم يكن نموذج WIMP يشبه إلى حد كبير الشيء الحقيقي ، لكن نموذج الأكسيون كرر بدقة جميع وظائف النظام.
تشير النتيجة إلى أن الأكسيونات هي مرشح أكثر ترجيحًا للمادة المظلمة ، وقدرتها على تفسير شذوذ العدسة وغيرها من الملاحظات الفيزيائية الفلكية أثارت اهتمام العلماء.
الجسيمات والمجرات
يعتمد البحث الجديد على دراسات سابقة أشارت أيضًا إلى أن الأكسيونات هي الشكل الأكثر احتمالًا للمادة المظلمة. مثلا، دراسة درس تأثيرات المادة المظلمة الأكسيونية على الخلفية الكونية الميكروية ، بينما آخر فحص سلوك المادة المظلمة في المجرات القزمة.
على الرغم من أن هذا البحث لم ينهِ الجدل العلمي حول طبيعة المادة المظلمة ، إلا أنه يفتح آفاقًا جديدة للاختبار والتجريب. على سبيل المثال ، يمكن استخدام الملاحظات المستقبلية لعدسة الجاذبية لسبر طبيعة موجة المحاور وربما قياس كتلتها.
سيكون للفهم الأفضل للمادة المظلمة آثار على ما نعرفه عن فيزياء الجسيمات والكون المبكر. يمكن أن يساعدنا أيضًا على فهم أفضل لكيفية تشكل المجرات وتغيرها بمرور الوقت.
مزيد من المعلومات:
ألفريد أمروث وآخرون ، حلقات أينشتاين المعدلة بواسطة موجة مظلمة من شذوذ في صور عدسات الجاذبية ، علم الفلك الطبيعي (2023). DOI: 10.1038 / s41550-023-01943-9
