قد تكون المادة المظلمة تحتفظ بسر أكثر قتامة

من المستحيل أن يقوم التلسكوب بتصويرها وبعيدًا عن أن يتم فهمها بشكل كامل، ومع ذلك فإن المادة المظلمة موجودة في كل مكان.

تتعلق أعمق الألغاز المتعلقة بالمادة المظلمة بطبيعتها وسلوكها. الفكرة السائدة فيما يتعلق بالمادة المظلمة هي نظرية المادة المظلمة الباردة (CDM)، التي تفترض أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات منخفضة السرعة لا تتفاعل مع بعضها البعض. لقد تمت مناقشة هذا التفكير، وهو مطروح للنقاش مرة أخرى. بقيادة عالم الفيزياء الفلكية هاي بو يو، توصل فريق من الباحثين من جامعة كاليفورنيا ريفرسايد إلى فكرة بديلة تشرح النقيضين حيث لا تعمل المادة المظلمة الباردة بشكل جيد.

يُعتقد أن المجرات وعناقيد المجرات محاطة بهالات من المادة المظلمة. في أحد طرفي الجدل توجد هالات المادة المظلمة المجرية التي تكون كثيفة جدًا بحيث لا تتوافق مع آلية التنمية النظيفة، وعلى الطرف الآخر توجد هالات المادة المظلمة المجرية منتشرة جدًا بحيث لا يمكن لآلية التنمية النظيفة أن تفهمها. يقترح يو وزملاؤه بدلاً من ذلك أن بعض القوى المظلمة (آسف لمحبي حرب النجوم – لا ال القوة) تتسبب في اصطدام جزيئات المادة المظلمة ببعضها البعض. هذه هي المادة المظلمة ذاتية التفاعل، أو SIDM.

إن فكرة الجسيمات غير المرئية التي تتفاعل، إما أن تدفع بعضها البعض بعيدًا وإلى الخارج في هالة منتشرة، أو تقترب من بعضها البعض وإلى الداخل في هالة كثيفة، قد تكون ما كنا نبحث عنه في الظلام. لكن أولاً، لماذا يُعتقد بأغلبية ساحقة أن المادة المظلمة باردة؟

فقد فى الظلام

المادة المظلمة “مظلمة” لأن تفاعلاتها مع المادة المرئية والإشعاع الكهرومغناطيسي إما ضعيفة أو غير موجودة. ولا يمكن لأي ضوء أن ينيرها لعدم قدرتها على إجراء تفاعلات كبيرة مع أي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي. السبب وراء وصف المادة المظلمة بأنها “باردة”، على الأقل وفقًا لنظرية المادة المظلمة الباردة، هو أنه يُعتقد أن الجسيمات البطيئة تتحرك بشكل أبطأ بكثير من سرعة الضوء.

لا تزال آلية التنمية النظيفة هي النموذج القياسي للمادة المظلمة لأنها تعمل على بناء وصيانة الهياكل الكونية مثل المجرات. إذا كانت المادة المظلمة باردة، فمن الممكن أن تتجمع وتتجمع بسهولة أكبر مما لو كانت تتنقل عبر فراغ الفضاء، وهو ما سيكون عليه الأمر لو كانت المادة المظلمة بأكملها “ساخنة” أو مكونة من جسيمات أخف تتحرك بسرعات عالية. ستكون جسيمات المادة المظلمة الساخنة سريعة جدًا بحيث لا يمكنها تكوين هياكل على مدى فترات طويلة من الزمن، وقد تؤدي إلى تسوية أي هياكل موجودة تصطدم بها. تقع المادة المظلمة الدافئة في مكان ما بين البارد والساخن.

كم عدد أنواع المادة المظلمة الموجودة بالفعل غير معروف. يصر بعض العلماء على أن كل المادة المظلمة باردة، بينما يرى آخرون أن هناك أكثر من نوع واحد.

على الرغم من أن آلية التنمية النظيفة لا تقول أن هذه المادة غير المرئية هي بلا حراك تمامًا، إلا أنها لا تسمح بتصادم الكثير من جسيمات المادة المظلمة. هذا هو المكان الذي يأتي فيه SIDM.

تسليط المزيد من الضوء

في حين أن المادة المظلمة الساخنة والدافئة كانت خارج نطاق دراستهم، اختبر يو وفريقه ما إذا كان بإمكان SIDM تفسير جانب واحد من المادة المظلمة الباردة الذي لا يعمل حقًا: فهو يكافح من أجل تفسير هالات المادة المظلمة شديدة الكثافة والمنتشرة للغاية.

“في ال [diffuse scenario]التفاعلات تنقل الحرارة من مناطق الهالة الخارجية إلى الداخلية، مما يقلل الكثافة المركزية؛ في ال [dense scenario]وقالوا في بيان: “ينعكس اتجاه تدفق الحرارة وتصبح الهالة الداخلية أكثر كثافة من نظيرتها في آلية التنمية النظيفة”. يذاكر نُشرت مؤخرًا في مجلة The Astrophysical Journal Letters.

المجرات فائقة الانتشار (UDGs) هي مجرات قزمة معتمة بشكل خاص لأن نجومها متناثرة بعيدًا عن بعضها البعض. ينتشر الغاز المكوّن للنجوم بشكل رقيق للغاية بحيث لا يتمكن من إنتاج العديد من النجوم الجديدة. تصل هالة المادة المظلمة الخاصة بالمجرة فائقة الانتشار إلى مسافة أبعد بكثير من تلك الموجودة في المجرة القزمة العادية، وهو ما لا ينبغي أن يحدث مع الجسيمات غير المتصادمة التي تقترحها آلية التنمية النظيفة – فالجسيمات التي لا تتفاعل ستكون أقرب إلى بعضها البعض وتنتج هالة أكثر كثافة ذات مدى أقصر. يسمح SIDM للجزيئات بالتصادم ونقل الحرارة، ويمكن أن يفسر توسع المادة المظلمة الناتج عن ذلك سبب انتشار هذه الهالات.

أما السيناريو الثاني فيتعامل مع هالات المادة المظلمة شديدة الكثافة بحيث يكون لها تأثير على عدسة الجاذبية. تحتوي هذه الهالات الكثيفة على ما يكفي من المادة المظلمة لثني الزمكان بحيث ينحني الضوء الذي ينتقل عبر تلك المنطقة من الفضاء أيضًا. وبسبب هذه الاضطرابات، يتم تكبير الجسم الموجود خلف المجرة العدسية، على الرغم من أنه غالبًا بطريقة مشوهة إلى حد ما. يدعم SIDM أيضًا تركيزات المادة المظلمة الكافية للتأثير على عدسة الجاذبية، لأن الجسيمات المتصادمة يجب أن تكون قادرة على التوجه نحو الداخل تمامًا كما تتجه نحو الخارج. يؤدي اصطدام الجسيمات ببعضها البعض إلى زيادة كثافة الهالة، ويمكن لحشد منها أن يشكل فقاعة ضخمة من المادة المظلمة التي تنتج عدسة الجاذبية.

ما زلنا في حالة جهل بشأن المادة المظلمة بعدة طرق. وإلى أن تكون هناك طريقة لاكتشافها بشكل مباشر، علينا أن نعتمد على العمل النظري لمعرفة ما إذا كانت أفكار مثل SIDM يمكن أن تكون ذات جدوى. ربما في يوم من الأيام، سيكون لدينا طريقة للكشف المباشر التي من شأنها أن تسلط الضوء أخيرًا على أسرار المادة المظلمة.

رسائل مجلة الفيزياء الفلكية، 2023. معرف الهوية الرقمي: 10.3847/2041-8213/ad0e09