لتوضيح الأمر ببساطة ، لا يُعتقد أن المادة المظلمة تشكل الجزء الأكبر من كتلة الكون فحسب ، بل تعمل أيضًا كدعامة تُبنى عليها المجرات. ولكن للعثور على دليل على هذه الكتلة الغامضة وغير المرئية ، يضطر العلماء إلى الاعتماد على طرق غير مباشرة مماثلة لتلك المستخدمة في دراسة الثقوب السوداء. إنهم يقيسون بشكل أساسي كيف يؤثر وجود المادة المظلمة على النجوم والمجرات في المناطق المجاورة لها.
حتى الآن ، تمكن علماء الفلك من العثور على أدلة على تكتلات المادة المظلمة حول المجرات المتوسطة والكبيرة. استخدام البيانات من تلسكوب هابل الفضائي وتقنية رصد جديدة ، وجد فريق من علماء الفلك من UCLA و NASA JPL أن المادة المظلمة يمكن أن تشكل الكثير كتل أصغر مما كان يعتقد سابقا. تم عرض هذه النتائج هذا الأسبوع في الاجتماع 235 للجمعية الفلكية الأمريكية (AAS).
تنص النظرية الأكثر قبولًا حول المادة المظلمة على أنها لا تتكون من نفس الأشياء مثل مادة الباريونيك (المعروفة أيضًا باسم المادة العادية أو 'المضيئة') - أي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. بدلاً من ذلك ، يُفترض أن المادة المظلمة تتكون من نوع من الجسيمات دون الذرية غير المعروفة التي تتفاعل مع المادة العادية فقط من خلال الجاذبية ، وهي أضعف القوى الأساسية - والقوى الأخرى هي قوى كهرومغناطيسية وقوية وضعيفة.
محاكاة حاسوبية لتوزيع المادة في الكون. تستضيف المناطق البرتقالية المجرات ؛ الهياكل الزرقاء عبارة عن غاز ومادة مظلمة. الائتمان: تعاون TNG
تنص نظرية أخرى مقبولة على نطاق واسع على أن المادة المظلمة تتحرك ببطء مقارنة بأنواع الجسيمات الأخرى ، وبالتالي فهي عرضة للتكتل. وفقًا لهذه الفكرة ، يجب أن يحتوي الكون على نطاق واسع من تركيزات المادة المظلمة ، تتراوح من الصغيرة إلى الكبيرة. ومع ذلك ، حتى الآن ، لم يلاحظ أي تركيزات صغيرة على الإطلاق.
باستخدام البيانات التي حصل عليها هابل كاميرا واسعة المجال 3 (WFC3) ، سعى فريق البحث للعثور على دليل على هذه الكتل الصغيرة عن طريق قياس الضوء من النوى اللامعة لثماني مجرات بعيدة (تعرف أيضًا باسم الكوازارات) لمعرفة كيفية تأثرها أثناء انتقالها عبر الفضاء. هذه التقنية ، التي يستخدمها علماء الفلك عادة لدراسة المجرات البعيدة ، والعناقيد النجمية ، و حتى الكواكب الخارجية ، معروف ب عدسة الجاذبية .
توقعت في الأصل من قبل أينشتاين نظرية النسبية العامة ، تعتمد هذه التقنية على قوة الجاذبية للأجسام الكونية الكبيرة لتشوه وتضخيم الضوء من الأجسام البعيدة. أوضح دانيال جيلمان من جامعة كاليفورنيا ، والذي كان عضوًا في فريق المراقبة ، العملية على النحو التالي:
'تخيل أن كل واحدة من هذه المجرات الثماني عبارة عن عدسة مكبرة عملاقة. تعمل كتل المادة المظلمة الصغيرة بمثابة شقوق صغيرة على العدسة المكبرة ، مما يؤدي إلى تغيير سطوع وموقع صور الكوازارات الأربعة مقارنة بما تتوقعه إذا كان الزجاج أملسًا '.
صور تلسكوب هابل لكوازار في الخلفية والمجرة المضيفة تحيط بالنواة المركزية لمجرة ضخمة في المقدمة. الائتمان: NASA / ESA / A. نيرنبرغ (JPL) / T. Treu (UCLA)
كما هو مأمول ، فإنهابلأظهرت الصور أن الضوء القادم من هذه الكوازارات الثمانية كان عرضة لتأثير العدسة الذي يتوافق مع وجود كتل صغيرة على طول خط رؤية التلسكوب وفي وحول المجرات العدسية في المقدمة. تمت محاذاة الكوازارات والمجرات الثمانية بدقة بحيث أنتج تأثير الالتواء أربع صور مشوهة لكل كوازار.
باستخدام برامج الحوسبة المعقدة وتقنيات إعادة البناء المكثفة ، قارن الفريق مستوى التشويه بالتنبؤات حول كيفية ظهور الكوازارات دون تأثير المادة المظلمة. تم استخدام هذه القياسات أيضًا لحساب كتل تراكيز المادة المظلمة ، والتي أشارت إلى أنها كانت تساوي 1/10000 إلى 1/100000 ضعف كتلة هالة المادة المظلمة في مجرة درب التبانة.
بالإضافة إلى كونها المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة تركيزات صغيرة ، تؤكد نتائج الفريق أحد التنبؤات الأساسية لنظرية 'المادة المظلمة الباردة'. تفترض هذه النظرية أنه بما أن المادة المظلمة بطيئة الحركة (أو 'باردة') ، فإنها قادرة على تكوين هياكل تتراوح من التركيزات الصغيرة إلى التركيبات الهائلة التي تبلغ كتلتها عدة أضعاف كتلة مجرة درب التبانة.
تنص هذه النظرية أيضًا على أن جميع المجرات في الكون تشكلت داخل سحب المادة المظلمة المعروفة باسم 'الهالات' وأصبحت جزءًا لا يتجزأ منها. بدلاً من الدليل على وجود كتل صغيرة الحجم ، اقترح بعض الباحثين أن المادة المظلمة قد تكون في الواقع 'دافئة' - أي سريعة الحركة - وبالتالي فهي سريعة جدًا لتشكيل تركيزات أصغر.
توزيع المادة المظلمة عندما كان عمر الكون حوالي 3 مليارات سنة ، مما يدل على التوزيع المستمر لجزيئات المادة المظلمة (على اليسار) وهالات المادة المظلمة (على اليمين). الائتمان: VIRGO Consortium / Alexandre Amblard / ESA
ومع ذلك ، فإن الملاحظات الجديدة تقدم دليلاً قاطعًا على صحة نظرية المادة المظلمة الباردة والنموذج الكوني الذي تدعمه - نموذج Lambda Cold Dark Matter (؟ CDM). بصفته عضوًا في الفريق البروفيسور توماسو تريو من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس (UCLA) ، شرح ، هذه الأحدثهابلتعطي الملاحظات رؤى جديدة حول طبيعة المادة المظلمة وكيف تتصرف.
قال: 'لقد أجرينا اختبارًا رصديًا مقنعًا للغاية لنموذج المادة المظلمة الباردة ويمر بألوان متطايرة'. 'إنه لأمر لا يصدق أنه بعد ما يقرب من 30 عامًا من التشغيل ، أتاح هابل وجهات نظر متطورة في الفيزياء الأساسية وطبيعة الكون التي لم نحلم بها حتى عندما تم إطلاق التلسكوب.'
آنا نيرنبرج ، الباحثة في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا والتي قادتهابلالدراسة الاستقصائية، شرح بالإضافة إلى ذلك:
ثبت أن البحث عن تركيزات المادة المظلمة الخالية من النجوم أمر صعب. ومع ذلك ، استخدم فريق بحث هابل تقنية لم يحتاجوا من خلالها إلى البحث عن تأثير جاذبية النجوم كمتتبع للمادة المظلمة. استهدف الفريق ثمانية 'مصابيح شوارع' كونية قوية وبعيدة ، تسمى الكوازارات (مناطق حول الثقوب السوداء النشطة تنبعث منها كميات هائلة من الضوء). قاس علماء الفلك كيف أن الضوء المنبعث من الأكسجين وغاز النيون الذي يدور حول الثقوب السوداء في الكوازارات يتشوه بفعل جاذبية مجرة أمامية ضخمة تعمل كعدسة مكبرة.
صورة من Dark Universe ، توضح توزيع المادة المظلمة في الكون. الائتمان: AMNH
يقدم عدد الهياكل الصغيرة المكتشفة في الدراسة مزيدًا من القرائن حول طبيعة جسيمات المادة المظلمة نظرًا لأن خصائصها ستؤثر على عدد الكتل التي تتكون. ومع ذلك ، فإن نوع الجسيمات التي تتكون منها المادة المظلمة لا يزال لغزا في الوقت الحاضر. لحسن الحظ ، من المتوقع أن يساعد نشر التلسكوبات الفضائية من الجيل التالي في المستقبل القريب في هذا الصدد.
وتشمل هذه تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) وتلسكوب مسح الأشعة تحت الحمراء واسع المجال (WFIRST) ، وكلاهما عبارة عن مراصد تعمل بالأشعة تحت الحمراء من المقرر أن ترتفع في هذا العقد. بفضل البصريات المتطورة ، والمقاييس الطيفية ، ومجال الرؤية الكبير ، والدقة العالية ، ستكون هذه التلسكوبات قادرة على مراقبة مناطق كاملة من الفضاء تتأثر بالمجرات الضخمة ، ومجموعات المجرات ، وهالاتها الخاصة.
يجب أن يساعد هذا علماء الفلك على تحديد الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة وكيف تبدو الجسيمات المكونة لها. في الوقت نفسه ، يخطط علماء الفلك لاستخدام هذه الأدوات نفسها لمعرفة المزيد عن الطاقة المظلمة ، وهي لغز كوني عظيم آخر لا يمكن دراسته إلا بشكل غير مباشر في الوقت الحالي. أوقات مثيرة تنتظرنا!
قراءة متعمقة: هوبليسايت