ماده تاريك كهكشان راه شيري كجا است؟
براساس مطالعه‌هاي جديد، احتمالا هاله‌ي عجيب پرتوايكس كه در كهكشان‌هاي ديگر كشف شده، در راه شيري وجود ندارد. بسياري از فيزيك‌دانان درباره‌ي نبود اين هاله‌ي درخشان مشكوك هستند؛ اما اگر واقعا اين هاله‌ي درخشان در راه شيري وجود نداشته باشد، مي‌تواند ثابت كند ماده‌ي تاريك از ذرات فرضي استريل نوترينو تشكيل شده است. استريل نوترينوها همتايان روح‌مانند نوترينوهاي زيراتمي هستند كه وجود آن‌ها هنوز قطعي نشده است. پژوهشگران مطالعه يادشده در تلاشي متفاوت به‌دنبال هاله‌ي درخشان راه شيري هستند. نيكولاس راد، اختيرفيزيك‌دان دانشگاه بركلي كاليفرنيا و يكي از پژوهشگران اين مطالعه مي‌گويد:
از انديشه متخصصينات علمي، دريافت بازخوردهاي مثبت و منفي طبيعي است. برخي افراد جست‌وجوي نوترينو ازطريق پرتوايكس را پيشنهاد مي‌دهند؛ اما روش ما جديدتر است. حالا ممكن است شخص ديگري بگويد ايده‌ي جديدي دارم كه با روش ما متفاوت است. بايد مشكوك بود و معتقدم اين واكنش كاملا طبيعي است.
تصوير تلسكوپ فضايي هابل از سحابي لاگون، بخش كوچكي از ماده‌ي مرئي در كهكشان راه شيري
جست‌وجوي نامرئي
ماده‌ي تاريك بزرگ‌ترين ماده‌ي ناشناخته در جهان است. دانشمندان با مشاهده‌ي آثار گرانشي اين ماده در كهكشان‌ها از وجود آن مطمئن هستند؛ زيرا ستاره‌ها و گازهاي مرئي به‌اندازه‌ي كافي سنگين نيستند كه بتوانند كهكشان‌ها را با يكديگر ادغام كنند. به‌عقيده‌ي اخترفيزيك‌دانان، هاله‌هاي نامرئي ماده‌ي تاريك در كهكشان‌ها تقريبا ۸۵ درصد جرم جهان را تشكيل مي‌دهند؛ اما پژوهشگران و دانشمندان هنوز نمي‌دانند ماده‌ي تاريك دقيقا از چه چيزي تشكيل شده است.
طبق برخي انديشه متخصصينيه‌ها، ماده‌ي تاريك از ذره‌هاي نسبتا سنگيني به‌نام WIMPS تشكيل شده است. برخي ديگر معتقدند اين ماده حاوي ذرات بسيار سبكي به‌نام آكسيون است. حتي برخي انديشه متخصصينيه‌هاي عجيب و نه‌چندان محبوب، سياه‌چاله‌هاي كوچك را مؤلفه‌هاي تشكيل‌دهنده‌ي ماده‌ي تاريك مي‌دانند؛ اما يكي از ساده‌ترين انديشه متخصصينيه‌ها، مدل نوترينو است. نوترينوها ذرات بسيار سبكي هستند كه در فضا پراكنده شده‌اند و واكنش بسيار كمي با ذرات ديگر دارند.
تا امروز سه نوع نوترينو كشف شده است: الكترون نوترينو و ميون نوترينو و تاو نوترينو. بااين‌حال، برخي فيزيك‌دانان به وجود نوع چهارمي از نوترينوها هم شك دارند: استريل نوترينو. استريل نوترينو نوع سنگين‌تري از نوترينو است كه فقط ازطريق جاذبه و پس از فروپاشي با ذرات ديگر واكنش مي‌دهد و به‌دليل سنگيني، مانند نوترينوهاي ديگر در فضا حركت نمي‌كند؛ درنتيجه، نوترينوهاي استريل نه‌تنها از يكديگر جدا نمي‌شوند؛ بلكه ابرهايي تشكيل مي‌دهند كه مي‌توانند هاله‌هاي ماده‌ي تاريك باشند.
تفاوت بزرگ ديگري بين استريل نوترينوها و ديگر كانديدهاي ماده‌ي تاريك وجود دارد: استريل نوترينوها به‌مرور‌زمان به ذرات شناخته‌شده مثل فوتون‌هاي پرتوايكس تجزيه مي‌شوند. پژوهشگران در دهه‌ي ۱۹۹۰ و اوايل دهه‌ي ۲۰۰۰، نشان دادند تجزيه‌ي هاله‌هاي استريل نوترينو به توليد درخششي خفيف در يكي از طول موج‌هاي طيف پرتوايكس منجر مي‌شود. تيمي از پژوهشگران در سال ۲۰۱۴ با درانديشه متخصصينگرفتن پرتوايكس كشف‌شده از ۷۳ خوشه‌ي كهكشاني مختلف، ظاهرا موفق شدند چنين درخششي را در طيفي مشخص بيابند: درخشش خفيف نور پرتوايكس در سطح انرژي ۳/۵ كيلوالكترون‌ولت. keV يا كيلوالكترون‌ولت مقياسي براي ارزيابي سطح انرژي ذراتي است كه نور توليد مي‌كنند.
وجود درخشندگي‌ها يا خطوط ۳/۵ كيلوالكترونولتي در ديگر گروه‌هاي كهكشاني هم ثابت شده است. گرچه در برخي پژوهش‌ها، به‌ويژه مطالعه كهكشان Draco، چنين نتيجه‌اي به‌دست نيامد، به‌عقيده‌ي پژوهشگران در مقاله‌اي جديد، خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي در درخشان‌ترين و نزديك‌ترين منبع ماده‌ي تاريك، يعني كهكشان راه شيري، ديده نشده است. تيمي از پژوهشگران دانشگاه ميشيگان و دانشگاه بركلي و آزمايشگاه ملي لاورنس بركلي نيز به مجموعه‌هاي ضبط‌شده از تلسكوپ‌هاي قديمي پرتوايكس مراجعه كردند و تصاوير پرتوايكس از آسمان خالي را انتخاب كردند. آسمان خالي به بخش‌هايي از كهكشان راه شيري گفته مي‌شود كه هيچ ستاره‌اي در آن وجود ندارد؛ اما ميزبان ماده‌ي تاريك است.
مقايسه‌ي سطوح پرتوايكسي كه دانشمندان كشف كرده‌اند (ضربدرهاي سياه) با پرتوايكس قابل انتظار براي خط ۳/۵ kev (خطوط قرمز)
براي تأييد علامت ماده‌ي تاريك، وجود خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي ضروري است. تيم يادشده معتقد است كهكشان راه شيري قطعا ماده‌ي تاريك دارد و به‌دليل نزديكي به‌طورحتم به وجود آن در داده‌ها پي خواهند برد؛ زيرا به‌طورطبيعي ديدن چراغ بزرگي در اتاق‌خواب راحت‌تر از LED كوچكي در كيلومترها آن‌طرف‌تر است. اين فرضيه نشان مي‌دهد خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي علامت وجود ماده‌ي تاريك نيست؛ به‌همين‌دليل، انديشه متخصصينيه‌ي استريل نوترينو را رد مي‌كند. بااين‌حال، يافتههاي مذكور نتوانستند همه را قانع كنند. كيورك آبازاجيان، يكي از پژوهشگران خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي و رئيس مركز كيهان‌شناسي دانشگاه ايروين كاليفرنيا مي‌گويد:
اشكال اصلي اينجا است كه آن‌ها از روش‌هايي استفاده مي‌كنند كه قبلا در جامعه‌ي نجوم پرتوايكس متخصصدي نداشته است و دلايلي براي استفاده‌نكردن از اين روش‌ها وجود دارد.
پژوهش جديد با تكيه بر ۸۳ هزار ساعت رصدهاي تلسكوپي منتشر شده است؛ اما داده‌ها از فركانس‌هاي بسيار محدود بين ۳/۳ و ۳/۸ كيلوالكترون‌ولت به‌دست آمده‌اند. اختلاف انرژي بين داده‌ها تقريبا ۰/۱ كيلوالكترون‌ولت است؛ بنابراين پژوهشگران، تنها مي‌توانند مجموعه‌اي محدود از فركانس‌ها را در داده‌هاي خود تفكيك كنند. داده‌هاي آن‌ها مانند تصويري با عرض پنج پيكسل است كه با دوربيني بسيار دقيق گرفته شده است. كيفيت تصوير بسيار مطلوب است؛ اما جزئيات زيادي را نشان نمي‌دهد.
خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي انرژي ممكن است نشانه‌ي صحيح شناسايي ماده‌ي تاريك نباشد
به‌اعتقاد مؤلفان پژوهش يادشده، با وجود اختلاف كم انرژي در تصوير، خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي بايد در وسط آن ظاهر شود؛ اما ازآنجاكه اين خط در داده‌ها ديده نشده است، در كهكشان راه شيري وجود ندارد. راد مي‌گويد:
ازآنجاكه ما ستاره‌شناسان پرتوايكس نيستيم، از روش‌هاي آماري ديگر حوزه‌ها براي اين مطالعه استفاده كرديم كه بسيار دقيق‌تر و پايدارتر هستند.
دانشمندان از نجوم پرتوي گاما و انواع فيزيك ذرات در شتاب‌دهنده‌ي بزرگ ذرات اروپا براي مقاله‌ي خود استفاده كردند؛ اما ستاره‌شناسان پرتوايكس به اين روش‌ها بدگمان هستند. به‌گفته‌ي آبازاجيان، استفاده از طيف بسيار محدود انرژي مي‌تواند نتايج نامطمئني به‌بار بياورد.
اشكال اينجا است كه اگر خطي وجود داشته باشد، مانند نقطه‌اي درخشان در پس‌زمينه‌ي تاريك به‌انديشه متخصصين نمي‌رسد نور پس‌زمينه‌ي پرتوايكس در بسياري از كهكشان‌ها يا اتم‌هاي پراكنده در آسمان و حتي از پرتوهاي كيهاني ديده شده است. به‌همين‌دليل، قبل از ظاهرشدن خطي رصدشدني، نياز به درك عميقي از داده‌ها وجود دارد. سه منبع ديگر پرتوايكس در طيف محدودي از پژوهش‌ها قرار مي‌گيرند: اتم‌هاي آرگون ۱۸ و سولفور ۱۶ در آسمان و سپس منبع ديگري به‌نام پتاسيم k. بااين‌همه، اشكال اصلي‌تر اين است كه پژوهشگران با مطالعه طيف فركانس محدود نمي‌توانند به‌درستي پس‌زمينه را شناسايي كنند.
راد انديشه متخصصين متفاوتي دارد. او معتقد است مطالعه بخش وسيع‌تري از طيف پرتوايكس ازجمله ويژگي‌هاي غيرمرتبط با خط ۳/۵ kev مي‌تواند به اعوجاج و انحراف در مدل تابش پس‌زمينه‌ي پرتوايكس كهكشان راه شيري منجر شود؛ درنتيجه، جداسازي خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي از پس‌زمينه دشوار مي‌شود.
يافتههاي متناقض
گروه متفاوتي از پژوهشگران ازجمله ستاره‌شناسان پرتوايكس، در مقاله‌اي ديگر كه نسخه‌ي پيش‌انتشار آن در فوريه‌ي ۲۰۱۹ منتشر شد، بخش عريض‌تري از طيف پرتوايكس را در مطالعه‌هاي خود لحاظ كردند. آن‌ها با استفاده از تكنيك‌هاي رايج و مقبول، به‌دنبال خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي در كهكشان راه شيري رفتند و آن را پيدا كردند. تيم تايت، رئيس بخش فيزيك و نجوم دانشگاه ايروين كاليفرنيا، دراين‌باره مي‌گويد:
مؤلفه‌ي اصلي اين پژوهش افزايش دقت مطالعه است؛ بنابراين، نتيجه‌ي نهايي دستيابي به سيگنال ۳/۵ كيلوالكترونولتي است.
تايت، فيزيك‌دان ذرات با تخصص در زمينه‌ي ماده‌ي تاريك است كه با پرتوايكس كار نكرده و يكي از ناظران پژوهش محسوب مي‌شود و مانند آبازاجيان از منتقدان اصلي پژوهش يادشده نيست. او مي‌گويد:
آن‌ها در كار خود بسيار دقيق عمل مي‌كنند و هرچه تحليل پيش مي‌رود، هيچ اشكالي در كارشان ديده نمي‌شود؛ اما معتقدم بهتر است مطالعه‌ها روي طيف وسيع‌تري از فركانس‌ها انجام شوند.
با وجود بدگماني‌ها، راد معتقد است خط ۳/۵ كيلوالكترونولتي به‌دست‌آمده در پژوهش او از نوع ماده‌ي تاريك استريل نوترينو نيست و اين نتيجه زمينه‌ساز سؤال ديگري است: عامل توليد خط در كهكشان‌ها چيست؟
يكي از اشكالات اين پژوهش، كيفيت نااميدكننده‌ي داده‌هاي پرتوايكس از مناطق خالي آسمان است. تلسكوپ‌هاي فعلي پرتوايكس قدرت تفكيك انرژي مناسب براي چنين پژوهش‌هايي را ندارند. شايد تلسكوپ ماهواره‌اي ژاپني، يعني هيتومي، مي‌توانست اين اشكال را حل كند؛ اما ارتباط اين تلسكوپ با زمين پس از پرتاب در سال ۲۰۱۶ قطع شد و حداقل تا اواخر دهه‌ي ۲۰۲۰ ابزار مناسبي براي كشف دقيق پرتوهاي ايكس پرتاب نخواهد شد. تا زمان دستيابي به ابزار و داده‌هاي باكيفيت‌تر، پژوهشگران به انتظار و مباحثه و جدول‌هاي خود ادامه خواهند داد.
هم انديشي ها