تلسکوپ فضایی جیمز وب چگونه ماده‌ی تاریک سرد را بررسی خواهد کرد؟
قدرتمندترین چشم بشر در فضا، تلسکوپ فضایی جیمز وب کم‌کم وارد چرخه‌ی نخست رصدهای علمی می‌شود و قرار است رازهایی را از دورترین و ناپیداترین نقاط کیهان آشکار کند؛ رازهایی مانند مسئله‌ی دیرپای ماده‌ی تاریک.
در کریسمس سال ۲۰۲۱ (۴ دی ۱۴۰۰) یک موشک آریان ۵ از کورو در گویان فرانسه به فضا پرتاب شد. این پرتابگر بزرگ‌ترین و پیچیده‌ترین تلسکوپ فضایی ساخته شده را با خود حمل کرد: «تلسکوپ فضایی جیمز وب» (James Webb Space Telescope).
از آن زمان، تلسکوپ وب به مدار خود در حدود ۱.۵ میلیون کیلومتری از زمین رسیده است، آفتابگیر بزرگ خود را که به اندازه‌ی زمین تنیس است، باز کرده و ۱۸ بخش آینه‌ی اصلی خود را هم‌تراز کرده است و هم‌اکنون تنها یک گام بسیار حساس دیگر تا هم‌ترازی نهایی پیش رو دارد و انتظار می‌رود که ثبت نخستین تصاویر علمی را تا تابستان آغاز کند.
در طول دهه‌ی آینده، جیمز وب مشاهدات پیشرفته‌ای را انجام خواهد داد و به دانشمندان کمک خواهد کرد تا به پرسش‌هایی مهم در نجوم پاسخ دهند؛ ازجمله پرسش‌هایی درباره‌ی ماهیت ماده‌ی تاریک.
داغ، گرم یا سرد
«ماده‌ی تاریک» (Dark Matter) یک ماده‌ی مرموز است که دانشمندان معتقدند ۸۵ درصد از ماده‌ی جهان را تشکیل می‌دهد اما تا کنون مستقیما مشاهده نشده است. دانشمندان می‌توانند حضور ماده‌ی تاریک را تنها با مشاهده‌ی اثرات گرانشی آن روی ماده‌ی معمولی درک کنند.
نظریه‌های گوناگون، انواع مختلفی از ذرات ماده‌ی تاریک را مطرح می‌کنند. ماده‌‌های تاریکی که داغ یا گرم درنظر گرفته می‌شوند، چنان سریع در جهان اولیه حرکت می‌کردند که گرانش نمی‌توانست آن‌ها را محدود کند. از سوی دیگر، تصور می‌شود که کاندیداهای ماده‌ی تاریک سرد، چنان آهسته حرکت کرده‌اند که گرانش آن‌ها را به ساختارهای کوچک ماده‌ی تاریک تبدیل کرده است که در نهایت در ساختارهای بزرگ‌تر و توده‌ای ادغام می‌شوند.
«متیو واکر» (Matthew Walker) دانشیار فیزیک دانشگاه کارنگی ملون گفت: «شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، چندین دهه شیوه‌ی شکل‌گیری و رشد این ساختارها را تحت فرضیه‌ی ماده‌ی تاریک سرد آزمایش کرده‌اند.»
شبیه‌سازی‌های ماده‌ی تاریک سرد نشان می‌دهند که ماده‌ی تاریک به شکل حباب‌های کوچکی به سوی هم می‌آید و پس از روبه‌رو شدن با حباب‌های دیگر، با هم ادغام می‌شوند و تا زمانی که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان راه شیری شکل می‌گیرند، پیوسته در حال تجمع اطراف یکدیگر هستند. این حباب‌های گرانشی ماده‌ی تاریک با نام «هاله» (Halo) شناخته می‌شود.
جیمز وب می‌تواند هاله را ببیند
«آنا نیرنبرگ» (Anna Nierenberg) استادیار فیزیک دانشگاه کالیفرنیا مرسد، در طول چرخه‌ی نخست جیمز وب ۳۹ ساعت فرصت رصدی برای جست‌وجوی هاله‌های کوچک ماده‌ی تاریک دریافت کرده است.
بسیاری از مدل‌ها، ازجمله مدل پایه‌ی ماده‌ی تاریک، وجود هاله‌های کوچک تا جرم ۱۰ به توان ۷ (۱۰۷) برابر خورشید را پیش‌بینی می‌کنند که در حقیقت دارای کهکشان نیستند. نیرنبرگ می‌گوید که چنین هاله‌ای «فقط لکه‌ای از ماده‌ی تاریک» است که هیچ ستاره‌ای درون آن نیست.
اما اگر هیچ ستاره‌ای در این حباب‌های مواد نامرئی وجود نداشته باشد، چگونه می‌توانیم حتی سعی کنیم که آن‌ها را شناسایی کنیم؟ برای این منظور نیرنبرگ و تیم او متشکل از نزدیک به ۲۰ دانشمند در آمریکا، کانادا، بریتانیا، سوئیس، اسپانیا، بلژیک و شیلی از پدیده‌ای به نام عدسی گرانشی استفاده می‌کنند.
عدسی یا «لنز گرانشی» (Gravitational Lensing) که برگرفته از نظریه‌ی نسبیت عام «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) است، بیان می‌کند که ماده، فضا-زمان و در نتیجه هر نوری که با آن برخورد می‌کند را خم می‌کند. اگر نور از یک منبع دوردست در کیهان به سوی زمین حرکت کند و از کنار یک جرم عظیم، مانند حباب ماده‌ی تاریک بگذرد، نور در اطراف آن خم می‌شود و اگر این جرم میانی به اندازه‌ی کافی پرجرم باشد، نور به گونه‌ای منحرف می‌شود که گاهی تا چهار تصویر از یک منبع نوری یکسان در اطراف جرم عدسی شده ظاهر می‌شود.
گروه نیرنبرگ تعداد هاله‌های کوچک ماده‌ی تاریک را با مشاهده‌ی یک نمونه از اختروش‌ها (هسته‌های بسیار فعال و بسیار پرجرم کهکشان‌های اولیه در فواصل کیهانی که توسط قرص‌های برافزایشی گردوغبار دربر گرفته شده‌اند) که تحت عدسی گرانشی قرار گرفته‌اند، اندازه‌گیری خواهند کرد. تشخیص این هاله‌های کوچک یک پیروزی برای نظریه‌ی ماده‌ی تاریک سرد خواهد بود و از سوی دیگر شناسایی نکردن آن‌ها به این معنی است که ماده‌ی تاریک سرد وجود ندارد.
چون نور حاصل از این اختروش‌ها باید مسافت زیادی را در یک جهان در حال انبساط طی کند، در طول مسیر کشیده می‌شود و طول موج آن به محدوده‌ی طیف فروسرخ متمایل می‌شوند. طول موج‌های فروسرخ میانی که مشاهده آن‌ها با تلسکوپ‌های زمینی تقریبا غیرممکن است. نیرنبرگ تأکید کرد: «ما با قرمزترین باندهای فرکانسی که جیمز وب می‌تواند پشتیبانی کند، رصد خواهیم کرد.»
این طول موج‌ها توسط تلسکوپ فضایی هابل که عدسی‌های گرانشی را در طول موج‌های مرئی مطالعه می‌کند، قابل مشاهده نیستند و تلسکوپ‌های فضایی قدیمی‌تر هم که می‌توانند در طیف فروسرخ میانی ببینند، توان تفکیک عدسی‌های گوناگون را ندارند. اما به گفته‌ی نیرنبرگ انجام این مشاهدات در طیف فروسرخ میانی، به توان تفکیک فضای بالایی نیاز دارد که فقط جیمز وب می‌تواند ارائه دهد.
در این زمینه «دنیل گیلمن» (Daniel Gilman) پژوهشگر پسادکترای دانشگاه تورنتو و یکی از محققان این تیم هم گفت: «نوع داده‌هایی که می‌توانیم با استفاده از JWST به‌دست آوریم منحصربه‌فردتر و بسیار قدرتمندتر یا دقیق‌تر از نوع داده‌هایی است که می‌توانیم توسط هابل یا تلسکوپ‌های زمینی کسب کنیم.»
و شاید همان‌طور که نیرنبرگ اشاره کرد «این یک گام علمی بزرگ رو به جلو خواهد بود.»
نگاه به منظومه‌های گسترده و دوردست
واکر پروژه‌ی ماده‌ی تاریک دیگری را هم در چرخه‌ی علمی نخست جیمز وب سرپرستی می‌کند اما گروه او در این زمینه برای زمان رصدی درخواستی نداد زیرا آن‌ها از داده‌هایی استفاده خواهند کرد که جیمز وب برای برنامه‌های دیگر جمع‌آوری می‌کند.
تحقیقات گروه واکر با استفاده از داده‌های آرشیوی، در جست‌وجوی درون کهکشان‌های کوتوله است تا ستارگان دوتایی گسترده را بیابد؛ منظومه‌هایی متشکل از دو ستاره که در فواصل نسبتا زیادی، در مقیاس ۱ پارسک، که کمی کمتر از فاصله‌ی میان خورشید و نزدیک‌ترین همسایه‌ی ما پروکسیما قنطورس است، دور یکدیگر می‌چرخند.
واکر کفت: «چون ستارگان دوتایی گسترده از هم دورند، سیستم‌های بسیار شکننده‌ای هستند. اگر مثلا هاله‌ای کوچک از ماده‌ی تاریک، از کنار یک منظومه‌ی دوتایی گسترده عبور کند، می‌تواند با هر یک یا هر دو ستاره در آن منظومه تبادل انرژی کند و فقط بخشی از کسری از یک درصد افزایش در انرژی هر یک از ستاره‌ها لازم است تا این جفت از هم جدا شوند.»
او افزود: «بنابراین اگر تیم واکر ستاره‌های دوتایی گسترده را بیابد، می‌توانیم به‌طور منطقی مطمئن باشیم که آن هاله‌های ماده‌ی تاریک سرد زیرکهکشانی وجود ندارند.» و این اساسا یک مشکل واقعی برای مدل ماده‌ی تاریک سرد خواهد بود.
این اما همان چیزی است که «کاترین لی» (Katharine Lee) یکی از فارغ‌التحصیلان ارشد فیزیک در مؤسسه‌ی علوم کارنگی ملون در گروه واکر درباره‌ی این پروژه می‌پسندد. «من به‌ویژه فکر می‌کنم که این تحقیق واقعا جالب است زیرا چارچوب فعلی برای آنچه ما به‌عنوان ساختار ماده‌ی تاریک درنظر می‌گیریم، مدل ماده‌ی تاریک سرد است و تحقیقاتی که پروفسور واکر انجام می‌دهد به‌طور بالقوه می‌تواند آن را باطل کند.»
از سوی دیگر اگر این گروه ستارگان دوتایی گسترده‌ای پیدا نکنند، می‌تواند نشانه‌ای از نابودی سیستم آن‌ها توسط ماده‌ی تاریک باشد. اما همچنان ثابت نمی‌کند که آن‌ها نابود شده‌اند، زیرا ممکن است در وهله‌ی نخست هرگز در این کهکشان‌های کوتوله شکل نگرفته باشند.
به گفته‌ی واکر جیمز وب به دلیل حساسیت فوق‌العاده بالا نسبت به اجرام کم‌نور و همچنین توانایی‌هایی که برای گرفتن تصاویر باکیفیت بالا و تشخیص جفت منبع با تفکیک‌های بسیار اندک دارد، ابزاری ایدئال برای این کاوش محسوب می‌شود و به لطف آینه‌ی اصلی با قطر ۶.۵ متر، دورتر از هر تلسکوپ دیگری که تا کنون ساخته شده است را خواهد دید.
«خورخه پناروبیا» (Jorge Peñarrubia) استاد دانشگاه ادینبورگ و یکی از پژوهشگران این تیم هم گفت: «من فکر می‌کنم که جیمز وب زاویه‌ای تازه و واقعا قدرتمند به ما می‌دهد. اما حتی اگر شکست بخورد، ما راه‌های دیگری پیدا خواهیم کرد.»
در واقع، بسیاری از تکنیک‌های دیگر وجود دارند که دانشمندان از آن‌ها برای جست‌وجوی ماده‌ی تاریک استفاده می‌کنند، ازجمله جست‌وجوهای مستقیم توسط آزمایش‌های فیزیک. و هم‌اکنون نیرنبرگ و واکر درحالی که منتظرند تا جیمز وب چشمانش را باز کند، هر دو از عدسی گرانشی و روش‌های دوتایی گسترده روی داده‌های تلسکوپ فضایی هابل استفاده می‌کنند.
برنامه‌های علمی آینده‌ی جیمز وب ممکن است اسرار بیشتری از ماده‌ی تاریک را بررسی کنند، چه از طریق عدسی گرانشی یا شاید با مشاهده‌ی آمار تکامل کهکشان‌ها که دانشمندان در ادامه می‌توانند آن را با نظریه‌های ماده‌ی تاریک مقایسه کنند.
گیلمن گفت: «ما در تعداد تئوری‌ها درباره‌ی ماهیت ماده‌ی تاریک کمبودی نداریم. اما چیزی که در آن با نقص مواجهیم، رصدهایی است که امکان بررسی جزئی این نظریه‌ها را داشته باشند و این همان چیزی است که قرار است جیمز وب برای ما به ارمغان بیاورد.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از پیچیدگی‌های کیهانی
Credit: Sandbox Studio, Chicago with Olena Shmahalo
منبع: Symmetry
