دانشمندان موفق به اندازه‌گیری توزیع ماده‌ی تاریک در ۱۲ میلیارد سال پیش شدند

۱۴ مرداد ۱۴۰۱ | ۱۳:۳۰ ۱۴ مرداد ۱۴۰۱ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۴ دقیقه
طرحی گرافیکی از پژوهش روی ساختار ماده‌ی تاریک در 12 میلیارد سال پیش

برای نخستین بار، دانشمندان موفق شدند بر اساس اجرام فسیلی بر جای مانده از انفجار بزرگ، توزیع ساختار ماده‌ی تاریک را در ۱۲ میلیارد سال پیش اندازه‌گیری و قدیمی‌ترین نشانه‌ها از این ماده‌ی مرموز را شناسایی کنند.

ماده‌ی تاریک شکل فرضی ماده است که طبق تحقیقات انجام شده، باید از مواد معمولی که جهان ما را می‌سازد با نسبت پنج به یک بیشتر باشد. این ماده برای ابزارهای رصدی ما نامرئی است و فقط می‌توان اثرات آن را از طریق گرانش مشاهده کرد.

یک رویکرد استاندارد برای تشخیص ماده‌ی تاریک، توزیع آن را با مشاهده‌ی چگونگی اعوجاج نور کهکشان‌های دوردست اندازه‌گیری می‌کند. هرچند این روش مؤثر است، اما محدودیت‌هایی هم دارد؛ ازجمله اینکه چقدر می‌تواند به گذشته نگاه کند که در بیشتر موارد تا ۸ میلیارد سال پیش را دربر می‌گیرد اما اکنون این میزان به ۱۲ میلیارد سال پیش گسترش یافته است.

اجرام عظیم فضا-زمان را در اطراف خود دچار فرورفتگی و نور را خم می‌کنند و بدین ترتیب برای اجرام دورتر پشت خود، نقش یک یک عدسی را دارند. بزرگ‌ترین آن‌ها می‌توانند تصاویر دیدنی عبور کرده از لنز، از کهکشان‌های دور ایجاد کنند. کوچک‌ترها هم اگرچه باعث اعوجاج‌های کوچک‌تری می‌شوند، اما با اندازه‌گیری آن‌ها، می‌توان توزیع جرم در یک کهکشان عدسی‌دار را بازسازی و بدین ترتیب ماده‌ی تاریک نامرئی را شناسایی کرد.

این رویکرد تا زمانی کار می‌کند که کهکشان‌های پس‌زمینه‌ی روشن زیادی وجود داشته باشد و نور آن‌ها به سوی ابزارهای رصدی ما منحرف شود. به همین دلیل هم نگاه ژرف‌تر به جهان بسیار دورتر در گذشته، یک محدودیت خواهد داشت: اینکه اولین کهکشان‌ها تنها چند صد میلیون سال پس از انفجار بزرگ شکل گرفتند و به اندازه‌ی کافی هم درخشان نبودند.

اکنون طبق مقاله‌ی منتشر شده در «فیزیکال ریویو لترز» (Physical Review Letters) همکاری دانشمندان دانشگاه ناگویا از همین رویکرد اما به روشی جدید استفاده کرده و موفق شده است تا توزیع ماده تاریک در اطراف کهکشان‌ها را در ۱۲ میلیارد سال پیش آشکار کند. این بار دانشمندان به دنبال اعوجاج نور کهکشان‌های دوردست نبودند، بلکه به اولین نور در جهان یعنی امواج پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی (CMB) نگاه کردند.

CMB انتشاری است که در تمام کیهان نفوذ می‌کند. حدود ۳۸۰۰۰۰ سال پس از مه‌بانگ، جهان در نهایت به اندازه‌ی کافی خنک شد که نور آن بدون جذب توسط ماده‌ی موجود امکان حرکت داشته باشد و بنابراین، این امواج آزادانه گسیل شدند. با انبساط کیهان، طول موج آن‌ها تا امواج مایکروویو کشیده شده است، اما همچنان تحت تأثیر گرانش اجرام عظیم قرار دارند. اکنون با اندازه‌گیری میزان اعوجاج ناشی از گذر از لنز گرانشی، محققان توانستند توزیع ماده‌ی تاریک را در زمان‌های بسیار دورتر و جایی عمیق‌تر در فضا اندازه بگیرند.

«ماسامی اوچی» (Masami Ouchi) از دانشگاه توکیو که بسیاری از این مشاهدات را انجام داده است، گفت: «اگر می‌خواستیم به ماده‌ی تاریک در اطراف کهکشان‌های دور نگاه کنیم این یک ایده‌ی عجیب بود و هیچ کس تأیید نمی‌کرد که بتوانیم چنین کاری را انجام دهیم.»

او افزود: «اما پس از صحبت درباره‌ی یک نمونه کهکشان دوردست بزرگ، هیرونائو (سرپرست این پژوهش) اشاره کرد که شاید بتوان با امواج پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی به ماده‌ی تاریک اطراف این کهکشان‌ها نگاه کرد.»

«یویچی هاریکان» (Yuichi Harikane) از مؤسسه‌ی تحقیقات پرتوهای کیهانی دانشگاه توکیو هم خاطرنشان کرد: «بیشتر محققان از کهکشان‌های مرجع برای اندازه‌گیری توزیع ماده‌ی تاریک از امروز تا ۸ میلیارد سال پیش استفاده می‌کنند. اما ما می‌توانیم حتی به زمانی دورتر نگاه کنیم زیرا از امواج مایکروویو پس‌زمینه‌ی کیهانی برای اندازه‌گیری ماده‌ی تاریک استفاده کردیم و برای نخستین بار ماده‌ی تاریک را تقریبا در زمانی مربوط به اولین لحظات کیهان اندازه‌گیری کردیم.»

جالب‌ترین کشف در این پژوهش، اندازه‌گیری توده‌ای ماده تاریک است. بر اساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی یا «لامبدا-سی‌دی‌ام» (Lambda-CDM) که زیربنای درک ما از کیهان است، ماده‌ی تاریک مناطقی با چگالی بیش از حد را تشکیل می‌دهد که در طول زمان کهکشان‌ها در آن شکل می‌گیرند. اما اندازه گیری توده‌ای در این مطالعه کمتر از پیش بینی تئوری است.

«هیرونائو میاتاکه» (Hironao Miyatake) سرپرست این پژوهش از دانشگاه ناگویا هم گفت: «یافته‌ی ما هنوز نامشخص است. اما اگر درست باشد، به‌نظر می رسد که کل مدل هر چه در زمان به عقب‌تر می‌روید، ناقص می‌شود. این هیجان‌انگیز است زیرا اگر نتیجه پس از گذشت زمان باقی بماند، عدم قطعیت‌ها کاهش می‌یابد و این می‌تواند نشان‌دهنده‌ی بهبود مدلی باشد که ممکن است بینشی درباره‌ی ماهیت خود ماده‌ی تاریک ارائه دهد.

«آندرس پلازاس مالاگون» (Andrés Plazas Malagón) پژوهشگر دانشگاه پرینستون هم بیان داشت: «در این مرحله، ما سعی خواهیم کرد که داده‌های بهتری به دست آوریم تا ببینیم آیا مدل Lambda-CDM واقعا قادر به توضیح مشاهداتی که در جهان داریم هست یا خیر؟ و ممکن است نیاز به بازنگری فرضیات موجود در این مدل داشته باشیم.»

این تیم از داده‌های رصدخانه‌ی پلانک آژانس فضایی اروپا برای امواج پس‌زمینه‌ی ریزموج کیهانی و مشاهدات تلسکوپ سوبارو استفاده کرد. هم‌اکنون تنها یک‌سوم از داده‌های HSC تجزیه‌و‌تحلیل شده و بنابراین تیم پژوهشی اکنون در حال کار برای تکمیل آن است.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از پژوهش روی ساختار ماده‌ی تاریک در ۱۲ میلیارد سال پیش
Credit: Reiko Matsushita

منبع: IFL Science

دیدگاه شما