آیا ماده تاریک مانند موج رفتار می‌کند؟
پژوهشگران با شبیه‌سازی رفتار موج‌گونه ماده تاریک و مقایسه آن با تصاویر چندگانه یک اختروش دوردست شواهد تازه‌ای برای بررسی ماهیت این ماده نامرئی به دست آورده‌اند، نتایج نشان می‌دهد مدل‌هایی که ماده تاریک را متشکل از ذرات فوق‌سبک و دارای رفتار موجی در نظر می‌گیرند می‌توانند جایگاه تصاویر ایجادشده بر اثر همگرایی گرانشی را با دقت بیشتری توضیح دهند.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از ساینس دیلی، ماده تاریک یکی از ناشناخته‌ترین مؤلفه‌های جهان است. این ماده مستقیما نور منتشر، جذب یا بازتاب نمی‌کند، اما اثر گرانشی آن بر اجرام و ساختار‌های کیهانی قابل مشاهده است. برآورد‌های کیهان‌شناسی نشان می‌دهد ماده تاریک حدود ۸۵ درصد از کل ماده موجود در جهان را تشکیل می‌دهد با این حال ماهیت و ترکیب آن هنوز مشخص نیست و این ماده نیز در مدل استاندارد فیزیک ذرات جایگاهی ندارد.
یکی از ابزار‌های مهم برای مطالعه ماده تاریک، همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing) است. هنگامی که نور یک جرم دوردست، مانند یک کهکشان یا اختروش از نزدیکی یک جرم بسیار پرجرم عبور می‌کند، گرانش جرم میانی مسیر نور را خم می‌کند. این پدیده می‌تواند موجب ایجاد تصاویر متعدد و تغییرشکل‌یافته‌ای از منبع دوردست شود.
از آنجا که نحوه توزیع جرم در جرم میانجی بر میزان خم‌شدن نور تاثیر می‌گذارد اخترشناسان می‌توانند با بررسی این تصاویر و تغییرات آنها اطلاعاتی درباره توزیع ماده تاریک در ساختار‌های کیهانی به دست آورند.
ماده تاریک فازی چیست؟
در سال‌های اخیر شواهد و مطالعات نجومی بیشتری این احتمال را مطرح کرده‌اند که ماده تاریک ممکن است از ذراتی فوق‌سبک تشکیل شده باشد. جرم این ذرات در صورت وجود آن‌قدر کم است که به آنها اجازه می‌دهد در مقیاس‌های کیهانی رفتاری مشابه امواج داشته باشند.
این ایده به شکل‌گیری مفهوم ماده تاریک فازی یا Fuzzy Dark Matter منجر شده است، مدلی که در آن، ماده تاریک به جای آنکه صرفا مجموعه‌ای از ذرات مستقل در نظر گرفته شود، می‌تواند در مقیاس‌های بزرگ ویژگی‌های موجی از خود نشان دهد.
در این مدل امواج مرتبط با ذرات ماده تاریک می‌توانند با یکدیگر تداخل داشته باشند. در برخی نواحی این امواج یکدیگر را تقویت و در برخی نقاط یکدیگر را خنثی می‌کنند. در نتیجه، توزیع جرم ماده تاریک در فضا کاملا یکنواخت نیست و الگو‌های پیچیده‌ای از تداخل ایجاد می‌شود.
همین ناهمگونی در توزیع جرم می‌تواند بر میدان گرانشی اطراف اثر بگذارد و در نهایت مسیر نور اجرام دوردست را اندکی تغییر دهد. بنابراین، اثر این الگو‌های موجی می‌تواند در تصاویر ایجادشده از طریق همگرایی گرانشی قابل مشاهده باشد.
شبیه‌سازی سه‌بعدی برای بررسی اثر ماده تاریک موجی
در مطالعه جدید گروهی از پژوهشگران به سرپرستی محققان دانشگاه نرمال پکن با همکاری اخترفیزیک‌دانانی از دانشگاه هنگ‌کنگ تلاش کردند ارتباط میان رفتار موجی ماده تاریک و آثار قابل مشاهده آن در همگرایی گرانشی را با جزئیات بیشتری بررسی کنند.
پژوهشگران برای نخستین بار پیش‌بینی‌های مربوط به همگرایی گرانشی را مستقیما از شبیه‌سازی‌های موجی سه‌بعدی استخراج کردند. این شبیه‌سازی‌ها الگو‌های توزیع جرم ناشی از برهم‌کنش ذرات فوق‌سبک را در نظر می‌گیرند و به پژوهشگران اجازه می‌دهند اثرات احتمالی ماده تاریک فازی را به شکلی فیزیکی‌تر به پدیده‌هایی که از طریق تلسکوپ‌ها قابل اندازه‌گیری هستند مرتبط کنند.
این رویکرد اهمیت دارد، زیرا در مدل ماده تاریک فازی، توزیع ماده در مقیاس‌های کوچک می‌تواند با مدل‌هایی که ماده تاریک را به‌صورت ذرات معمولی‌تر در نظر می‌گیرند، تفاوت داشته باشد. این تفاوت‌ها در صورت کافی بودن دقت مشاهدات می‌توانند خود را در نحوه خم‌شدن نور نشان دهند.
اختروش دوردست چه چیزی نشان می‌دهد؟
پژوهشگران سپس پیش‌بینی‌های حاصل از شبیه‌سازی‌ها را با موقعیت مشاهده‌شده تصاویر متعدد یک اختروش (Quasar) مورد مطالعه مقایسه کردند.
اختروش‌ها هسته‌های بسیار درخشان کهکشان‌های فعال هستند که می‌توانند در فواصل بسیار دور کیهانی دیده شوند. هنگامی که نور چنین جرمی از کنار یک ساختار پرجرم عبور کند اثر همگرایی گرانشی می‌تواند چند تصویر از همان اختروش ایجاد کند.
در این پژوهش موقعیت این تصاویر چندگانه به‌عنوان یک داده قابل اندازه‌گیری برای آزمایش مدل ماده تاریک فازی مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج نشان داد شبیه‌سازی‌هایی که رفتار موجی ماده تاریک را در نظر می‌گیرند توانستند موقعیت تصاویر اختروش را نسبت به مدل‌های مقایسه‌ای رایج مورد استفاده در این مطالعه با تطابق بیشتری بازتولید کنند.
با وجود این، پژوهشگران تاکید دارند که این تطابق به معنای اثبات ماهیت ماده تاریک یا اثبات قطعی وجود ذرات فوق‌سبک نیست. نتیجه مطالعه بیشتر نشان می‌دهد که مشاهدات دقیق‌تر سامانه‌های دارای همگرایی گرانشی می‌توانند به ابزاری برای آزمودن فرضیه ماده تاریک فازی تبدیل شوند.
آغاز همکاری پژوهشگران هنگ‌کنگ و پکن
این پروژه در جریان سفر‌های پژوهشی جرمی لیم و امروث آلفرد از گروه فیزیک و مؤسسه اخترشناسی و اخترفیزیک دانشگاه هنگ‌کنگ به دانشگاه نرمال پکن شکل گرفت.
آنها در این دانشگاه با ژنگشیانگ لی و جیاجون ژو دانشجوی دکتری و نویسنده اصلی مقاله در گروه زونگ-هونگ ژو همکاری کردند.
به گفته پژوهشگران یکی از نکات جالب این پروژه آن بود که پیش از اجرای شبیه‌سازی‌ها مشخص نبود ماده تاریک موجی دقیقاً چه نشانه قابل مشاهده‌ای می‌تواند در داده‌های نجومی ایجاد کند.
پژوهشگران در توضیح اهمیت نتایج به این موضوع اشاره کرده‌اند که شبیه‌سازی‌ها امکان مشاهده نشانه‌هایی را فراهم کرده‌اند که می‌تواند مسیر‌های تازه‌ای برای بررسی ماهیت ماده تاریک از طریق پدیده همگرایی گرانشی ایجاد کند. نتایج این پژوهش در نشریه The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.
پژوهشگران قصد دارند بررسی خود را به ویژگی‌های دیگری از تصاویر حاصل از همگرایی گرانشی گسترش دهند. یکی از این موارد، بررسی تغییرات روشنایی تصاویر است.
اگر ماده تاریک واقعا در مقیاس‌های مورد نظر رفتار موجی داشته باشد، الگو‌های ناشی از تداخل امواج می‌توانند نه‌تنها موقعیت ظاهری تصاویر بلکه ویژگی‌های دیگری مانند میزان روشنایی آنها را نیز تحت تاثیر قرار دهند.
به این ترتیب بررسی هم‌زمان موقعیت و روشنایی تصاویر چندگانه اجرام دوردست می‌تواند داده‌های بیشتری برای مقایسه مدل‌های مختلف ماده تاریک در اختیار پژوهشگران قرار دهد.
با توجه به اینکه ماهیت ماده تاریک همچنان یکی از پرسش‌های باز مهم در فیزیک و کیهان‌شناسی است مطالعه آثار احتمالی آن بر نور اجرام دوردست می‌تواند مسیر مستقیمی برای آزمایش مدل‌های مختلف فراهم کند. هرچند یافته‌های این پژوهش در شرایط فعلی به‌تنهایی برای تعیین ماهیت ماده تاریک کافی نیست.
انتهای پیام/
