Durante décadas، la المادة المظلمة لقد كان بمثابة شبح الكون العظيم: نعلم بوجوده بفضل آثاره، لكن لم يتمكن أي كاشف من رصده مباشرةً. الآن، يشير تحليل جديد من تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما التابع لناسا إلى... أثر مباشر محتمل لتلك المادة غير المرئية، وهي علامة قد تغير طريقة فهمنا للكون.
العمل الذي قاده البروفيسور تومونوري توتانييزعم باحث من جامعة طوكيو أن بعض أشعة جاما التي تم رصدها حول مركز مجرة درب التبانة تتناسب مع ما كان متوقعًا من فناء جسيمات المادة المظلمة النظريةالدراسة التي نشرت في المجلة العلمية مجلة علم الكونيات والفيزياء الفلكيةوقد أثارت هذه القضية اهتماما كبيرا بين المجتمع الدولي، بما في ذلك المجتمع الأوروبي، على الرغم من أنها مصحوبة بقدر كبير من الحذر.
من الشك في ثلاثينيات القرن العشرين إلى إشارة مباشرة محتملة
تاريخ المادة المظلمة بدأ الأمر في ثلاثينيات القرن العشرين، عندما أدرك عالم الفلك السويسري فريتز زويكي أن بعض المجرات تتحرك بسرعة أكبر من كتلتها الظاهرية. لم تكن هذه السرعات منطقية إلا إذا كان هناك... من شأنه أن يوفر جاذبية إضافية
وبمرور الوقت، أكدت التقديرات الكونية صورة مثيرة للقلق إلى حد ما: 5% فقط من الكون يتكون من مادة عاديةللضوء الصادر من النجوم والكواكب والبشر أهمية كبيرة أيضًا. حوالي ٢٧٪ منه مادة مظلمة، وحوالي ٦٨٪ طاقة مظلمة، وهي كيان أكثر غموضًا. لا يمكن رصد أيٍّ منهما مباشرةً من خلال الضوء.
حتى الآن، كل ما هو معروف عن المادة المظلمة جاء من القياسات غير المباشرةكيف يؤثر على دوران المجرات، وكيف يُحدد تكوين العناقيد، أو كيف يُغير حركة النجوم في مداراتها. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى تواصل أوثق: الكشف عن أي إشارة مرتبطة بجسيماته الأولية.
المشكلة الكبرى هي أنه وفقًا للنماذج، فإن هذه الجسيمات لا تتفاعل بشكل جيد مع القوة الكهرومغناطيسية: لا يمتصون ولا يعكسون لا يصدرون الضوءومن الناحية العملية، فهي غير مرئية للتلسكوبات التقليدية، وهو ما جعلها واحدة من أكثر الألغاز استمرارا في الفيزياء الحديثة، حتى بالنسبة لمجموعات البحث الأوروبية المخصصة للفيزياء الفلكية عالية الطاقة.
فرضية WIMP والبحث عن بصمة أشعة جاما
تقترح إحدى النظريات الأكثر تأثيرًا أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات ضخمة متفاعلة بشكل ضعيفتُعرف هذه الجسيمات اختصارًا بـ WIMP (الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل). تكون أثقل من البروتون، لكنها شبه منيعة على التلامس مع المادة العادية، باستثناء الجاذبية والتفاعل الضعيف.
تشير النماذج النظرية إلى أن، عندما يلتقي اثنان من WIMPs، فإنهما يمكنهما تدمير بعضهما البعض. وتحويل كتلتها إلى جسيمات أخرى، بما في ذلك فوتونات أشعة غاما ذات طاقات محددة للغاية. أصبح هذا "البصمة الطاقية" الدليلَ المُتبع: فإذا رُصدت فائض من أشعة غاما ذات الطاقة المناسبة في السماء، وبتوزيع مكاني متوافق مع توزيع المادة المظلمة، فقد يكون ذلك بصمةً لها.
ولهذا السبب، تمت مراقبة المناطق التي من المتوقع أن تشهد حالة من [غير واضحة] لسنوات. كثافة عالية من المادة المظلمة، وخاصة مركز مجرة درب التبانة و المجرات القزمة تدور حول بيئتنا. أُطلقت مشاريع عديدة من أوروبا، سواءً باستخدام تلسكوبات أشعة غاما أرضية أو كواشف تحت الأرض، في محاولة لالتقاط التأثيرات المباشرة لجسيمات المادة المظلمة.
وعلى الرغم من جهود المراصد في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك الأدوات الأوروبية الكبيرة، ظلت النتائج بعيدة المنال: لم تنجح أي تجربة في التوصل إلى إشارة قاطعةلقد كانت هناك مؤشرات وتقلبات وشذوذ، ولكن لم يكن هناك شيء يتجاوز مستوى اليقين الإحصائي الذي تتطلبه فيزياء الجسيمات.
بيانات تلسكوب فيرمي وإشارة 20 جيجا إلكترون فولت
وتأتي نقطة التحول مع تحليل أحدث البيانات من تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما من وكالة ناسا، وهي أداة مصممة لاصطياد الفوتونات الأكثر نشاطًا في السماء. فحص توتاني هذه السجلات بدقة، ويزعم أنه حددها. أشعة جاما بطاقة تقترب من 20 جيجا إلكترون فولت (GeV) والتي تتوزع على شكل هالة حول مركز مجرة درب التبانة.
وبحسب الدراسة، فإن بنية الهالة هذه تتوافق مع ما توقعته النماذج. توزيع المادة المظلمة في مجرتنا. لا تبدو الإشارة مُركّزة في نقطة واحدة، كما هو الحال مع مصدر معزول، بل مُنتشرة بطريقة تتوافق مع وجود مستودع كبير من الجسيمات المظلمة في المنطقة المركزية.
علاوة على ذلك، طيف طاقة الفوتونات المكتشفة يتماشى هذا مع توقعات فناء جسيمات ضعيفة التفاعل (WIMPs) بكتلة أكبر بحوالي 500 مرة من كتلة البروتون. علاوة على ذلك، يبقى التواتر المقدر لهذه الفناءات ضمن النطاق المقبول نظريًا، مما يعزز التوافق بين الملاحظات والنماذج.
في مقالهم، يزعم الفريق أن الإشارة لا يمكن تفسيره بسهولة من خلال العمليات الفيزيائية الفلكية العاديةمثل نشاط النجوم النابضة، وبقايا المستعرات العظمى، أو انبعاثات الأشعة الكونية المنتشرة. هذا التناقض مع التفسيرات التقليدية هو ما يجعل هذا الاكتشاف مؤشرًا مباشرًا محتملًا على وجود المادة المظلمة.
يتضمن العمل جدولًا بالمعلمات الرئيسية للملاحظة: طاقة فوتونية تبلغ 20 جيجا إلكترون فولتتم تقديم توزيع الهالة حول مركز المجرة، والتفسير من حيث فناء جسيمات WIMP، والكتلة التقريبية لهذه الجسيمات، والتي تبلغ حوالي 500 مرة أكبر من كتلة البروتون، في سياق نشرها في مجلة علم الكونيات والفيزياء الفلكية، واحدة من المجلات الرائدة في علم الكونيات والجسيمات الفلكية.
لماذا هناك حديث عن إمكانية النظر المباشر الأول؟
وفي المقال نفسه وفي تصريحات لاحقة، ذهب توتاني إلى خطوة أبعد من خلال الإشارة إلى أنه إذا كان تفسيره صحيحًا، ستكون هذه هي المرة الأولى التي "ترى" فيها البشرية المادة المظلمةولن يكون الأمر مجرد ملاحظة وجودهم من خلال الجاذبية، بل مراقبة الإشعاع الذي ستنتجه جزيئاتهم عند الفناء.
ويصر الفيزيائي على أن هذه الإشارة تشير إلى جسيم جديد ليس جزءًا من النموذج القياسي فيزياء الجسيمات، الإطار النظري الذي يصف بدقة متناهية كل ما نعرفه حتى الآن عن العالم دون الذري. وسيتطلب إدراج المادة المظلمة في هذا الإطار مراجعة النظرية الحالية وتوسيع نطاقها.
بالنسبة لعلم الكونيات، فإن مثل هذا التأكيد سيكون جزءًا حاسمًا: فهو سيسمح لمعايرة توزيع المادة في الكون بشكل أفضللفهم كيفية تجمع المجرات بشكل أكثر تفصيلاً ولتفسير سبب وجود الهياكل الكونية بالشكل الذي نلاحظه اليوم.
من الناحية العملية، فإن إشارة مثل تلك الموصوفة من شأنها أن تمنح فرق المراقبة - بما في ذلك اتحادات التلسكوبات الأوروبية التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء - هدف جديد ومحدد للغاية: ابحث عن نفس توقيع الطاقة في مناطق أخرى غنية بالمادة المظلمة للتحقق مما إذا كان نفس النمط يتكرر.
ومع ذلك، يؤكد توتاني أن النتيجة تظل كما هي. إشارة، وليس دليلاً قاطعاًوتتناسب الإشارة مع النظرية، ولكن لا يزال يتعين استبعاد أي مصدر آخر محتمل لأشعة جاما في المنطقة التي تم تحليلها بشكل كامل.
حذر المجتمع العلمي ودور أوروبا
كما هو الحال غالبًا مع الإعلانات التي قد تُغيّر الكتب المدرسية، اتسم رد فعل المتخصصين الآخرين بمزيج من الاهتمام والحذر. ويُقرّ توتاني نفسه بأن يجب التحقق من نتائجهم بشكل مستقل وأن تفسيرها لا يغلق الباب بشكل كامل أمام التفسيرات البديلة ذات الأصول الفيزيائية الفلكية.
أحد الخطوط التي تعتبر ذات أولوية هو تكرار البحث عن إشارة متطابقة في المجرات القزمة من هالة درب التبانة. هذه المجرات الصغيرة، التي تدور حول مجرتنا، تُعدّ مرشحة مثالية، إذ يُعتقد أنها تحتوي على كميات كبيرة من المادة المظلمة، ومع ذلك تُولّد ضوضاء أشعة غاما أقل من مركز المجرة الصاخب.
عالم الفيزياء الفلكية جاستن ريد، من جامعة سري (المملكة المتحدة)، تذكر أنه حتى الآن لم يتم العثور على إشارات واضحة في المجرات القزمة يؤكد هذا الطرح زوال نظرية الجسيمات النانوية الضعيفة، وهو أمرٌ يتعارض، في رأيه، مع التفسير القاطع للنتيجة الجديدة. لا ينكر موقفه أهمية العمل، لكنه يؤكد أن هذا المجال بحاجة إلى أدلة تُسد أي ثغرات تُتيح تفسيرات بديلة.
من كلية لندن الجامعية، أستاذ كينواه وو وقد أكد على أن مثل هذا الاكتشاف يجب أن يتجاوز الحاجز: حيث يقول: "إن المطالبة غير العادية تتطلب أدلة غير عادية" وحتى الآن، لا يصل التحليل إلى هذا المستوى من اليقين. ومع ذلك، فهو يعتبر الدراسة حافزًا مهمًا للباحثين في المادة المظلمة من أوروبا والقارات الأخرى.
المجموعات الأوروبية التي تعمل على تلسكوبات عالية الطاقة للغاية، مثل المشاريع المرتبطة بالمستقبل مجموعة تلسكوبات شيرينكوف (CTA)إنهم يتابعون هذه الأنواع من الإشارات عن كثب. بالنسبة لهم، أثر مباشر محتمل للمادة المظلمة ويمثل هذا هدفًا ذا أولوية للمراقبة في السنوات القادمة، سواء في مركز المجرة أو في مجموعات المجرات والأقمار القزمة.
ما تبقى للتحقق وما قد يأتي بعد ذلك
أحد النقاط الرئيسية هو توضيح ما إذا كان من الممكن تفسير إشارة 20 جيجا إلكترون فولت بواسطة المصادر الفيزيائية الفلكية المعروفةإن مركز مجرة درب التبانة عبارة عن منطقة معقدة، تحتوي على مستعرات عظمى قديمة، ونجوم نابضة، ونفاثات عالية الطاقة، وإشعاعات خلفية مكثفة، وكلها تولد فوتونات تعقد عملية التفسير إلى حد كبير.
ولهذا السبب يصر الباحثون على أن توسيع نطاق التحليل ليشمل بيئات أخرى أقل ضوضاءستكون أجسام مثل المجرات القزمة المحيطة بمجرة درب التبانة أساسية في تعزيز فرضية المادة المظلمة أو إضعافها. إذا رُصدت في هذه الأجسام فائض من أشعة غاما، بالطاقة والتوزيع المتوقعين، فإن حجة التفسير القائم على الجسيمات ضعيفة التفاعل (WIMP) ستكتسب قوة كبيرة.
سوف يتطلب التحقق كلا من حملات مراقبة جديدة مثل أساليب تحليلية أكثر دقة، قادرة على فصل إشارة المادة المظلمة المحتملة عن الانبعاثات الأخرى بدقة أكبر. في هذا السياق، سيكون التعاون بين مراكز الأبحاث في اليابان وأوروبا ودول أخرى بالغ الأهمية.
وفي الوقت نفسه، يعمل المنظرون على إمكانية أن الجسيم المسؤول عن المادة المظلمة هو في الواقع نوع من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل ذات كتلة من رتبة 500 مرة من البروتونإذا تم تأكيد ذلك، فإن فيزياء الجسيمات سوف تضطر إلى توسيع النموذج القياسي لاستيعاب هذا الكيان الجديد.
على الرغم من أن كل شيء لا يزال في نطاق الاحتمال حتى الآن، إلا أن الفكرة القائلة بأن ربما ننظر إلى أول أثر مباشر للمادة المظلمة ويشكل هذا نقطة تحول: إذ لم يعد البحث في الكون يعتمد بشكل حصري على الضوء المرئي أو أشكاله الأكثر شهرة، وبدأ يعتمد على آثار الطاقة الدقيقة التي يمكن أن تكشف ما ظل مخفيًا حتى الآن.