ALMA تكشف عن بصمة دقيقة للمادة المظلمة

تكشف الملاحظات الرائدة عن تقلبات المادة المظلمة تحت مستوى المجرات، مما يؤكد نظريات المادة المظلمة الباردة ويقدم رؤى جديدة حول تكوين الكون.

اكتشف فريق بحث بقيادة البروفيسور كايكي تارو إينوي في جامعة كينداي (أوساكا، اليابان) تقلبات في توزيع المادة المظلمة في الكون على مقاييس أصغر من المجرات الضخمة باستخدام أقوى مقياس تداخل راديوي في العالم، مصفوفة أتاكاما المليمترية / تحت المليمترية الكبيرة (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array).ألما)، وتقع في جمهورية تشيلي.

هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف التقلبات المكانية للمادة المظلمة في الكون البعيد على نطاق 30 ألف سنة ضوئية. وتبين هذه النتيجة أن المادة المظلمة الباردة^[1] ويُفضل ذلك حتى على المقاييس الأصغر من المجرات الضخمة، ويُعد خطوة مهمة نحو فهم الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة. سيتم نشر المقال في ال مجلة الفيزياء الفلكية.

الشكل 1. التقلبات المكتشفة في المادة المظلمة. يشير اللون البرتقالي الأكثر إشراقًا إلى المناطق ذات كثافة المادة المظلمة العالية ويشير اللون البرتقالي الغامق إلى المناطق ذات كثافة المادة المظلمة المنخفضة. يمثل اللونان الأبيض والأزرق الأجسام ذات العدسات الجاذبية التي رصدتها ALMA. المصدر: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)، KT Inoue وآخرون.

النقاط الرئيسية

• المراقبة بواسطة أحد أكبر مقاييس تداخل الموجات الراديوية في العالم ALMA، وهو مشروع دولي.
• أول اكتشاف لتقلبات المادة المظلمة في الكون على مقاييس أقل من 30 ألف سنة ضوئية.
• خطوة مهمة نحو توضيح الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة.

ALMA ترصد تقلبات صغيرة النطاق في توزيع المادة المظلمة

يُعتقد أن المادة المظلمة، وهي المادة غير المرئية التي تشكل جزءًا كبيرًا من كتلة الكون، لعبت دورًا مهمًا في تكوين الهياكل مثل النجوم والمجرات.^[2] وبما أن المادة المظلمة ليست موزعة بشكل موحد في الفضاء ولكنها موزعة في كتل، فإن جاذبيتها يمكن أن تغير قليلاً مسار الضوء (بما في ذلك موجات الراديو) القادم من مصادر الضوء البعيدة. وقد أظهرت ملاحظات هذا التأثير (عدسة الجاذبية) أن المادة المظلمة ترتبط بالمجرات الضخمة نسبيًا ومجموعات المجرات، ولكن كيفية توزيعها على نطاقات أصغر لم تُعرف بعد.

قرر فريق البحث استخدام ALMA لرصد جسم على مسافة 11 مليار سنة ضوئية من الأرض. الجسم عبارة عن كوازار ذو عدسة،^[3] ام جي J0414+0534^[4] (المشار إليه فيما يلي باسم “هذا الكوازار”).

يبدو أن هذا الكوازار لديه صورة رباعية بسبب تأثير عدسة الجاذبية للمجرة الأمامية. ومع ذلك، فإن مواضع وأشكال هذه الصور الظاهرة تختلف عن تلك المحسوبة فقط من تأثير عدسة الجاذبية للمجرة الأمامية، مما يشير إلى أن تأثير عدسة الجاذبية لتوزيع المادة المظلمة على مقاييس أصغر من المجرات الضخمة هو العامل.

الشكل 2: رسم تخطيطي مفاهيمي لنظام عدسة الجاذبية MG J0414+0534. يشير الجسم الموجود في وسط الصورة إلى المجرة العدسية. يُظهر اللون البرتقالي المادة المظلمة في الفضاء بين المجرات، ويشير اللون الأصفر الشاحب إلى المادة المظلمة في المجرة العدسية. الائتمان: NAOJ، KT Inoue

وقد وجد أن هناك تقلبات مكانية في كثافة المادة المظلمة حتى على نطاق حوالي 30 ألف سنة ضوئية، وهو أقل بكثير من المقياس الكوني (عدة عشرات المليارات من السنين الضوئية). تتوافق هذه النتيجة مع التنبؤ النظري للمادة المظلمة الباردة، والذي يتنبأ بأن كتل المادة المظلمة لا تتواجد فقط داخل المجرات (اللون الأصفر الشاحب في الشكل 2)، ولكن أيضًا في الفضاء بين المجرات (البرتقالي في الشكل 2).

إن تأثيرات عدسة الجاذبية الناتجة عن كتل المادة المظلمة الموجودة في هذه الدراسة صغيرة جدًا بحيث يصعب للغاية اكتشافها بمفردها. ومع ذلك، بفضل تأثير عدسة الجاذبية الناجم عن المجرة الأمامية والدقة العالية لـ ALMA، تمكنا من اكتشاف التأثيرات لأول مرة. وبالتالي فإن هذا البحث يعد خطوة مهمة للتحقق من نظرية المادة المظلمة وتوضيح طبيعتها الحقيقية.

تم تقديم هذا البحث في ورقة بحثية بعنوان “قياس ALMA لأطياف قدرة العدسات بمقياس 10 كيلو فرسخ فلكي تجاه الكوازار المُعدس MG J0414+0534” بقلم KT Inoue et al. في ال مجلة الفيزياء الفلكية.

ملحوظات

1. المادة المظلمة الباردة
   مع توسع الكون، تنخفض كثافة المادة، وبالتالي لن تواجه جسيمات المادة المظلمة (المادة غير المرئية للضوء) جسيمات أخرى وستكون لها حركة مستقلة تختلف عن حركة المادة العادية. في هذه الحالة، تسمى جسيمات المادة المظلمة التي تتحرك بسرعة أقل بكثير من سرعة الضوء بالنسبة للمادة العادية بالمادة المظلمة الباردة. وبسبب سرعتها المنخفضة، فإنها لا تملك القدرة على محو الهياكل واسعة النطاق في الكون.
2. تشكيل الهيكل في الكون
   في بدايات الكون، يُعتقد أن النجوم والمجرات قد تشكلت نتيجة لنمو الجاذبية لتقلبات كثافة المادة المظلمة، وانجذاب تجمع الهيدروجين والهيليوم إلى كتل المادة المظلمة. لا يزال توزيع المادة المظلمة على مقاييس أصغر من المجرات الضخمة غير معروف.
3. كوازار
   الكوازار هو المنطقة المركزية المدمجة في المجرة التي تنبعث منها ضوء ساطع للغاية. تحتوي المنطقة المدمجة والمناطق المحيطة بها على كمية كبيرة من الغبار الذي ينبعث منه موجات الراديو.
4. ام جي J0414+0534
   يقع MG J0414+0534 في اتجاه كوكبة الثور كما يُرى من الأرض. الانزياح الأحمر (الزيادة في الطول الموجي للضوء مقسومًا على الطول الموجي الأصلي) لهذا الكائن هو z=2.639. ويفترض أن المسافة المقابلة هي 11 مليار سنة ضوئية، مع الأخذ في الاعتبار عدم اليقين في المعلمات الكونية.

المرجع: “قياس ALMA لأطياف قوة العدسات بمقياس 10 كيلو فرسخ فلكي تجاه الكوازار المُعدس MG J0414+0534” بقلم كايكي تارو إينو، وتاكيو مينيزاكي، وساتوكي ماتسوشيتا، وكويشيرو ناكانيشي، 7 سبتمبر 2023، مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/aceb5f

تم دعم هذا العمل من خلال منحة المساعدات للبحث العلمي من الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (رقم 17H02868، 19K03937)، والمرصد الفلكي الوطني لمشروع البحث العلمي المشترك ALMA الياباني 2018-07A، وهو نفس مشروع ALMA JAPAN Research الصندوق NAOJ-ALMA-256، وتايوان MoST 103-2112-M-001-032-MY3، 106-2112-M-001-011، 107-2119-M-001-020، 107-2119-M-001- 020.