🚚 🙇 🤸🏻 اسأل إيثان رقم 66: هل وجدنا مادة مظلمة؟ 👨‍👦 🏟️ 🔮

مستحيل. ما وجدناه ، وإن كان لغزا ، ولكن بالتأكيد ليس الكتلة الضائعة من الكون

الوقت يمتص كل شيء في حد ذاته ، والوقت يحمل الماضي بعيدًا ، وأخيرًا يبقى الظلام فقط. الظلام.
- ستيفن كينغ

لكن ليس لدينا نهاية الوقت بل نهاية الأسبوع. حان الوقت للإجابة عن السؤال التالي في عمود "اسأل إيثان" ، حيث اخترت من بين الأسئلة الجيدة جدًا ، اخترت سؤالًا من جو لاتون ، يسأل عن الأخبار الأخيرة:

لقد قرأت الكثير من العناوين الرئيسية في المنشورات المادية ، مثل " اكتشف الباحثون إشارة محتملة من المادة المظلمة" . هل يمكنك ، بتعبيراتك المتأصلة ، أن تشرح خلفية القضية وجوهر هذه الأخبار؟

دعونا نعطي جو ما يحتاجه!

أولاً ، هناك مشكلة المادة المظلمة. دراسة عنقود مجري - على سبيل المثال ، مثل عنقود الشعر فيرونيكا في الصورة أعلاه ، يمكننا تطبيق طريقتين لقياس مادتها:

انظر إلى الطيف الكامل للإشارات الكهرومغناطيسية المنبعثة منه ، بما في ذلك ليس فقط النجوم التي تنبعث منها الضوء ، ولكن أيضًا الضوء المنبعث والممتص في أجزاء أخرى من الطيف. سيعطينا هذا معلومات حول كمية الغاز والغبار والبلازما والنجوم النيوترونية والثقوب السوداء والأقزام وحتى الكواكب في الداخل.
تتبع حركة الأجسام في الكتلة - في هذه الحالة ، المجرات الفردية - واستخدم المعرفة بقوانين الجاذبية لحساب كتلتها الإجمالية.

بمقارنة القيم التي تم الحصول عليها ، سنرى ما إذا كانت الكتلة الكاملة للمادة الطبيعية تنتمي ، أو ما إذا كان ينبغي أن يكون هناك شيء آخر مصنوع ليس من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

ويمكن فعل الشيء نفسه بالنسبة للمجرات الفردية. مجرد إلقاء نظرة على جميع مكونات المجرة المختلفة في جميع الأطوال الموجية. وبالنسبة إلى المجرات والعناقيد ، نجد كتلة معينة على شكل نجوم ، ثم حوالي 5-8 أضعاف كتلة كبيرة على شكل غاز محايد ، قليل جدًا في شكل بلازما (على الرغم من أنها ممتلئة في الفضاء بين المجرات) ، وجزء صغير في شكل الآخرين أنواع الكتلة مجتمعة. في المتوسط ، بالإضافة إلى الكتلة الإجمالية لجميع النجوم ، هناك ما يقرب من ثمانية أضعاف كتلة المكونات الأخرى التي تتكون من مادة طبيعية.

ولكن ، مع أخذ الكتلة الإجمالية من الجاذبية ، نجد شيئًا غير متوقع. لتبرير جميع تأثيرات الجاذبية المرصودة ، مثل سرعات دوران المجرات على مسافات مختلفة في دوامات منفصلة ، وسرعات المجرات الفردية بالنسبة لمركز الكتلة ، نحتاج إلى كتلة لا تبلغ ثمانية أضعاف الكتلة الإجمالية للنجوم ، ولكن خمسين!

مثل هذا الاختلاف ، بالإضافة إلى حقيقة أننا بحاجة إلى مادة أكبر بمقدار خمس مرات من المادة العادية الموجودة في الكون اليوم ، تسمى مشكلة المادة المظلمة. يظهر عدد كبير من الملاحظات - بما في ذلك قياسات المسافات والانزياحات الحمراء للشموع الفلكية القياسية ، والملاحظات العملاقة على نطاق واسع للهياكل الكبيرة في الكون ، وملاحظات تصادم مجموعات المجرات ، والقياسات الدقيقة لإشعاع الخلفية الكونية الميكروويف (الشفق الكبير للانفجار الكبير) - تظهر أن المشكلة ليست في نظرية الجاذبية ، وفي وجود نوع جديد من المادة ، وهو في الكون أكثر بخمس مرات من الذري العادي.

وهذا الشكل الجديد من المادة - المادة المظلمة - من بين أمور أخرى ، لا يتفاعل مع المادة والإشعاع من خلال القوى الكهرومغناطيسية.

وقد ثبت أيضًا أنه مهما كانت هذه المادة المظلمة ، فهي ليست جزيئات عادية من النموذج القياسي. هذه ليست كواركات ، ليست بوزونات ، ولا حتى نيوترينو. مهما كان ، يجب أن يكون نوعًا جديدًا من الجسيمات لم يتم اكتشافه بعد.

على أساس خصائص الجاذبية التي يجب أن تمتلكها هذه الجسيمات ، يجب أن يتم جمعها في هالة عملاقة ، حول المجرات وحول العناقيد ، في الأجسام الكروية الناضجة العملاقة.

في معظم نماذج المادة المظلمة ، يُفترض أن جسيماتها يجب أن تكون جسيماتها المضادة. لذلك ، حيث تكون كثافة المادة المظلمة القصوى (في مراكز المجرات والعناقيد) ، هناك إمكانية إبادةها. وفي هذه الحالة ، ينبعث جسيمان مبيدان من فوتونين ، تتوافق طاقة كل منهما (لتوفير الطاقة والزخم) مع الكتلة المتبقية للجسيم.

تبدو رائعة ، أليس كذلك؟ نحتاج فقط إلى إرسال مقاريب مع كاشفات عالية الطاقة ، ومراصد الأشعة السينية وأشعة غاما ، إلى مراكز المجرات والعناقيد ، والبحث عن إشارات هذا الإبادة. وهذا يعني البحث عن خطوط طيفية للطاقة لا تتوافق مع الجسيمات المعروفة.

هراء ، أليس كذلك؟

لا ، انتظر دقيقة. المشكلة هي أنه في الكون هناك العديد من الظواهر المختلفة للطاقة العالية التي لا نفهمها هنا على الأرض! لماذا؟ لأنه لا يمكننا إعادة إنشاء كل تلك الظواهر الغريبة التي تحدث في الفضاء ، ولا نعرف سبب العديد من الخلفيات (أو حتى معظم) أشعة غاما والأشعة السينية التي لاحظناها.

بمعنى آخر ، هناك العديد من مصادر الأشعة السينية وأشعة غاما ، المعروفة ، ولكننا لا نعرفها.

وفقًا لجو ، تم اكتشاف خط أشعة سينية جديد هذا العام - مصدر بترتيب 3.5 كيلوفولت - في نواة مجرة أندروميدا ونواة كتلة بيرسوس.

هل سببها شيء عادي ، مثل تسارع الجسيمات حول ثقب أسود فائق الكتلة؟

أم أن السبب في ذلك هو جسيم جديد - نفس النيوترينو المعقم ، على سبيل المثال - مسؤول عن المادة المظلمة ، ويبيد ، ونتيجة لذلك يظهر كتلته المتبقية ، ما يعادل (عبر E = mc ² ) 3.5 keV؟ (أو ضعف الكمية ، 7 كيلو فولت إذا كان الجسيم المتحلل).

تريدك الأخبار أن تصدق أن الخيار الثاني ممكن - لأنه سيكون رائعًا إذا اتضح أنه مادة مظلمة؟ لكن هذه الإشارة لم يتم تأكيدها بعد بالفعل فقط (أهمية الاكتشاف هي 4σ حتى بالنسبة لمجموعة بيانات مشتركة ، عندما يكون معيار الاكتشافات 5σ) ، لا تزال غير مسؤولة عن المادة المظلمة في الكون!

لماذا؟ ألق نظرة على صورة المناطق الكثيفة والمتهالكة في عالمنا بعد الانفجار الأعظم بـ 380.000 عام: إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

من السهل تخيل أنه في ذلك الوقت كان الكون أكثر كثافة وأصغر ، ولكن من السهل أن ننسى أنه كان أكثر سخونة. هذا لا يعني فقط أن الإشعاع كان ساخنًا ، ولكن أيضًا أن المادة الموجودة فيه تتحرك بسرعات أعلى بكثير. وهذا لا ينطبق فقط على المادة الطبيعية ، مثل الذرات ، ولكن أيضًا على المادة المظلمة.

لماذا هذا مهم؟ لأنه من أجل الابتعاد عن الكتل والحفاظ على الهيكل بسبب انهيار الجاذبية ، يجب أن تتحرك المادة ببطء كافٍ ، وإلا فلن يحدث الانهيار. وإذا كانت المادة المظلمة خفيفة جدًا ، فلن يتكون الهيكل مبكرًا بما يكفي لتلبية الملاحظات!

ما الذي يمكننا استخدامه كحد؟ تأتي أفضل القياسات من ظاهرة تسمى غابة ليمان ألفا ، والتي تعمل كمقياس لعمر آبار الجاذبية لغيوم الغازات التي ترتبط ببعضها بشكل ضعيف. بالطبع ، ستتحول الأجسام الأكثر كثافة إلى نجوم ، مجرات ، ونجوم أشباه النجوم - لكن سحابة من الغاز ستتدخل في العملية ، وستمتص جزءًا من الضوء بترددات مميزة.

من خلال دراسة عمق "خطوط الغابات" ، خاصة في البداية ، يمكننا فرض قيود على وزن المادة المظلمة. وحتى في أكثر الظروف حرية ، يمكنك أن ترى أن خطوط الامتصاص قوية بشكل لا يصدق - فهي تتوافق مع حقيقة أن المادة المظلمة باردة جدًا - مما يعني أن كتلتها محدودة من الأسفل.

وما المعنى؟ الآن يجب أن يكون أثقل من 10 كيلوفولت ، بناءً على قوة خطوط الامتصاص المرصودة. وبعبارة أخرى ، إنه أثقل بثلاث مرات (أو أثقل بنسبة 50٪ في حالة الجسيمات المتحللة) من هذا ، كما يُزعم ، "إشارة المادة المظلمة"!

لا تفهموني خطأ ، فإن اكتشاف خط جديد محتمل لإشعاع الأشعة السينية مثير للاهتمام للغاية ، وقد يفتح لنا فيزياء فلكية جديدة ، أو ، على الأرجح (على الرغم من أنه من غير المحتمل) ، نوع جديد من الجسيمات. ولكن حتى لو اتضح أنها جسيم جديد ، فلن تنتمي إلى المادة المظلمة ، لأن هذا من شأنه أن ينتهك بنية الكون بأكملها (خاصة على المقاييس الصغيرة) ، وتستبعد ملاحظاتنا لهذه الهياكل مثل هذا السيناريو.

إذن ما هو المثير للاهتمام ، ولكن لا يمكن أن تكون المادة المظلمة؟ بأي حال من الأحوال ، فقط إذا أخطأنا في شيء رهيب في العديد من الأماكن.

شكرا على هذا السؤال الرائع وآمل أن يكون الشرح قد تم توضيحه لك وللباقي. أرسل لي أسئلتك واقتراحاتك للمقالات التالية.

اسأل إيثان رقم 66: هل وجدنا مادة مظلمة؟

مستحيل. ما وجدناه ، وإن كان لغزا ، ولكن بالتأكيد ليس الكتلة الضائعة من الكون

More articles: