منذ ما يقرب من قرن من الزمان ، افترض علماء الفلك وعلماء الكون أن الفضاء مليء بكتلة غير مرئية تُعرف باسم 'المادة المظلمة'. يمثل 27٪ من الكتلة والطاقة في الكون المرئي ، وكان الهدف من وجود هذه المادة هو تفسير كل المادة الباريونية 'المفقودة' في النماذج الكونية. لسوء الحظ ، حل مفهوم المادة المظلمة مشكلة كونية واحدة فقط لخلق أخرى.
إذا كان هذا الأمر موجودًا ، فما هوهو - هيمصنوع من؟ حتى الآن ، تراوحت النظريات بين القول بأنها مكونة من مادة باردة أو دافئة أو ساخنة ، وكانت النظرية الأكثر قبولًا هي نموذج Lambda Cold Dark Matter (Lambda-CDM). لكن، دراسة جديدة اقترح فريق من علماء الفلك الأوروبيين أن نموذج المادة المظلمة الدافئة (WDM) قد يكون قادرًا على شرح أحدث الملاحظات التي تم إجراؤها عن الكون المبكر.
لكن أولاً ، بعض التفسيرات صحيحة. لا تشير النظريات المختلفة حول المادة المظلمة (باردة ، دافئة ، ساخنة) إلى درجات حرارة المادة نفسها ، ولكن تشير إلى حجم الجسيمات نفسها فيما يتعلق بحجم مجرة أولية - تشكل الكون المبكر ، والذي من خلاله ظهرت المجرات القزمة في وقت لاحق. شكل.
رسم تخطيطي يوضح عالم Lambda-CBR ، من الانفجار العظيم إلى العصر الحالي. الائتمان: Alex Mittelmann / Coldcreation
يحدد حجم هذه الجسيمات مدى السرعة التي يمكن أن تنتقل بها ، مما يحدد خصائصها الديناميكية الحرارية ، ويشير إلى المدى الذي يمكن أن تقطعه - ويعرف أيضًا باسم. هم ' طول التدفق الحر (FSL) - قبل أن يتباطأ التوسع الكوني. في حين أن المادة المظلمة الساخنة ستتكون من جسيمات خفيفة للغاية ذات FSLs عالية ، يعتقد أن المادة المظلمة الباردة تتكون من جسيمات ضخمة ذات FSL منخفض.
تم التكهن بأن المادة المظلمة الباردة تأخذ شكل كائنات هالة مضغوطة ضخمة (MACHOs) مثل الثقوب السوداء ، أو فئة من الجسيمات الثقيلة غير المكتشفة - أي جزيئات ضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) ، والأكسيونات. يعتمد نموذج Lambda-CDM المقبول على نطاق واسع في جزء من النظرية القائلة بأن المادة المظلمة 'باردة'.
كما تذهب التفسيرات الكونية ، فهو أبسط ويمكن أن يفسر تكوين المجرات أو تكوينات عنقود المجرات. ومع ذلك ، لا تزال هناك بعض الثغرات في هذه النظرية ، وأكبرها أنها تتنبأ بوجود عدد أكبر من المجرات القزمة الصغيرة في الكون المبكر أكثر مما يمكننا تفسيره.
باختصار ، فإن وجود المادة المظلمة كجسيمات ضخمة ذات FSL منخفض سيؤدي إلى تقلبات صغيرة في كثافة المادة في بدايات الكون - مما يؤدي إلى وجود كميات كبيرة من المجرات منخفضة الكتلة كأقمار صناعية لهالات المجرة ، وبتركيزات كبيرة من المادة المظلمة في مراكزها.
توضيح للعمق الذي صور به هابل المجرات في مبادرات المجال العميق السابقة ، في وحدات عصر الكون. الهدف من الحقول الحدودية هو النظر إلى ما هو أبعد من مجال هابل شديد العمق. الائتمان: ناسا وأ. فيلد (STScI)
بطبيعة الحال ، قد يؤدي غياب هذه المجرات إلى التكهن بأننا ببساطة لم نرصد هذه المجرات بعد ، وأن مسوحات الأشعة تحت الحمراء مثل مسح اثنين ميكرون أول السماء (2MASS) و مستكشف مسح الأشعة تحت الحمراء واسع المجال قد تجدهم بعثات (WISE) في الوقت المناسب.
ولكن بصفته فريق البحث الدولي - والذي يضم علماء الفلك من المرصد الفلكي لروما (INAF) ، و مركز بيانات علوم وكالة الفضاء الإيطالية و ال مرصد باريس - الاحتمال الآخر هو أن المادة المظلمة ليست ساخنة ولا باردة ، ولكنها 'دافئة' - أي تتكون من جسيمات متوسطة الكتلة (غير مكتشفة أيضًا) مع FSLs التي هي تقريبًا نفس الأجسام الكبيرة مثل المجرات.
كما قال الدكتور نيكولا مينسي - الباحث في INAF والمؤلف الرئيسي للدراسة - لـ Universe Today عبر البريد الإلكتروني:
'تتميز جسيمات المادة المظلمة الباردة بسرعات جذر متوسط مربعة منخفضة ، نظرًا لكتلها الكبيرة (عادةً ما يُفترض أن تكون أكبر من 100 جيجا إلكترون فولت ، أي ما يعادل مائة ضعف كتلة البروتون). تسمح هذه السرعات الحرارية المنخفضة بتكتل آلية التنمية النظيفة حتى على المقاييس الصغيرة جدًا. على العكس من ذلك ، فإن جسيمات المادة المظلمة الأخف وزنًا ذات كتل تساوي keV (حوالي 1/500 من كتلة الإلكترون) ستتميز بسرعات حرارية أكبر ، مما يمنع تكتل DM على المقاييس الكتلية للمجرات القزمة. هذا من شأنه أن يحد من وفرة المجرات القزمة (والمجرات التابعة) وينتج ملامح كثافة داخلية ضحلة في مثل هذه الأجسام ، تتطابق بشكل طبيعي مع الملاحظات دون الحاجة إلى ردود فعل قوية من المجموعات النجمية. '
بعبارة أخرى ، وجدوا أن WDM يمكن أن يفسر الكون المبكر بشكل أفضل كما نراه اليوم. في حين أن نموذج Lambda-CDM سينتج عنه اضطرابات في الكثافات في بدايات الكون ، فإن FSL الأطول لجزيئات المادة المظلمة الدافئة من شأنه أن يخفف هذه الاضطرابات ، وبالتالي يشبه ما نراه عندما ننظر بعمق في الكون لنرى الكون خلال هذه الحقبة. لتشكيل المجرة.
من أجل دراستهم التي ظهرت مؤخرًا في عدد 1 يوليو من رسائل مجلة الفيزياء الفلكية ، اعتمد فريق البحث على البيانات التي تم الحصول عليها من حقول هابل الحدودية برنامج (HFF). مستفيدين من التحسينات التي تم إجراؤها في السنوات الأخيرة ، تمكنوا من فحص حجم المجرات البعيدة والباهتة بشكل خاص.
صورة مركبة تظهر المجرة العدسية SDP81. الأقواس الحمراء هي صورة مشوهة لمجرة أبعد ، تبعد حوالي 12 مليار سنة ضوئية. الائتمان: Y. هيزافيه ، جامعة ستانفورد / ALMA (NRAO / ESO / NAOJ) / NASA / ESA / Hubble Space Telescope
كما أوضح مينسي ، هذه قدرة جديدة نسبيًا لم يكن تلسكوب هابل الفضائي قادرًا على القيام بها قبل بضع سنوات:
'نظرًا لأن تكوين المجرات يتأثر بشدة بطبيعة DM على مقياس المجرات القزمة ، فإن الأداة القوية لتقييد نماذج DM هي قياس وفرة المجرات منخفضة الكتلة في الأوقات الكونية المبكرة (الانزياح الأحمر العالي z = 6-8) ، عصر تكوينهم. هذه مهمة صعبة لأنها تتضمن العثور على أجسام باهتة للغاية (المقادير المطلقة M_UV = -12 إلى -13) على مسافات كبيرة جدًا (12-13 مليار سنة ضوئية) حتى بالنسبة لتلسكوب هابل الفضائي.
ومع ذلك ، فإن برنامج Hubble Frontier Field يستغل عدسة الجاذبية التي تنتجها عناقيد المجرات الأمامية لتضخيم الضوء من المجرات البعيدة. نظرًا لأن تكوين المجرات القزمة يتم كبته في نماذج WDM - وقوة الكبت أكبر بالنسبة لجزيئات DM الأخف - فإن الوفرة المقاسة العالية للمجرات القزمة ذات الانزياح الأحمر العالي (حوالي 3 مجرات لكل مكعب Mpc) يمكن أن توفر حدًا أقل لـ كتلة جسيمات WDM ، وهي مستقلة تمامًا عن الخصائص النجمية للمجرات. '
قدمت النتائج التي حصلوا عليها قيودًا صارمة على المادة المظلمة وتكوين المجرات المبكر ، وبالتالي كانت متوافقة مع ما يراه HFF. قد تشير هذه النتائج إلى أن فشلنا في اكتشاف المادة المظلمة حتى الآن ربما كان نتيجة البحث عن النوع الخاطئ من الجسيمات. لكن بالطبع ، هذه النتائج ليست سوى خطوة واحدة في جهد أكبر ، وستتطلب المزيد من الاختبارات والتأكيد.
انطباع الفنان عن المادة المظلمة التي تحيط بدرب التبانة. (ESO / L. كالسادا)
وبالنظر إلى المستقبل ، يأمل مينسي وزملاؤه في الحصول على مزيد من المعلومات من برنامج HFF ، ويأملون أن تسمح لهم البعثات المستقبلية بمعرفة ما إذا كانت نتائجهم ستصمد أم لا. كما ذكرنا سابقًا ، تتضمن هذه المهام بعثات علم الفلك بالأشعة تحت الحمراء ، والتي من المتوقع أن 'ترى' المزيد من الكون المبكر من خلال النظر إلى ما وراء الطيف المرئي.
وقال: 'تستند نتائجنا إلى وفرة الأقزام شديدة الانزياح الأحمر التي تم قياسها في مجالين فقط'. ومع ذلك ، يهدف برنامج HFF إلى قياس هذه الوفرة في ستة مجالات مستقلة. سيسمح لنا تشغيل تلسكوب جيمس ويب الفضائي في المستقبل القريب - باستخدام برنامج عدسة مشابه لـ HFF - بتحديد الآليات الممكنة لإنتاج جسيمات WDM ، أو استبعاد نماذج WDM كبدائل لآلية التنمية النظيفة ، ' هو قال. 'لما يقرب من قرن من الزمان ، كانت المادة المظلمة لغزًا منتشرًا ومراوغًا ، وتتراجع دائمًا في اللحظة التي نعتقد أننا على وشك اكتشافها. لكن كلما نظرنا أعمق في الكون المعروف (والعودة إلى الوراء في وقت أبعد) كلما تمكنا من التعرف على تطوره ، وبالتالي معرفة ما إذا كانت تتوافق مع نظرياتنا.
قراءة متعمقة: رسائل مجلة الفيزياء الفلكية و آس نوفا
