قد يتبين أن المادة المراوغة لا تتكون من أي جزيئات جديدة
عندما أعلن المتحدث باسم مشروع
aLIGO (جهاز مراقبة موجات الجاذبية
المتداخلة بالليزر المتقدم) الكشف عن موجات الجاذبية في 11 فبراير 2016 ، شعرت بالدهشة. بالطبع ، توقعنا أن تعطينا شركة LIGO شيئًا مثيرًا للاهتمام في وقت ما ، لكننا كنا نفكر في النتائج الأولية. كنا نعتقد أن المشروع ، بعد حسابات معقدة وصعبة لعدة أشهر ، سيعطينا نوعًا من الإشارة الضعيفة ، ترتفع قليلاً فوق الضوضاء.
ولكن لا ، كانت الرسوم البيانية الموضحة في ذلك اليوم المشؤوم في فبراير واضحة للغاية ولا لبس فيها لدرجة أنه لم يكن عليهم إثبات أي شيء. بأم عيني أستطيع أن أرى الشكل الموجي الذي لا يمكن الخلط بينه وبين أي شيء - هذا هو اندماج اثنين من الثقوب السوداء ، ونتيجة لذلك انطلقت موجات الجاذبية في الزمكان المحيط.
ولم يكن هذا كل شيء. لا ينبغي أن تكون الثقوب السوداء التي شاهدتها aLIGO موجودة على الإطلاق. نحن نعرف عن وجود ثقوب سوداء تبلغ كتلتها مليون أو تريليون ضعف كتلة الشمس ، وقد رأينا ثقوب سوداء صغيرة ذات كتلة مماثلة لكتلة الشمس. لكن كتلة الثقوب السوداء التي شاهدتها aLIGO كانت أكبر بـ 30-60 مرة من الشمس. يزعم بعض زملائي أن الثقوب السوداء متوسطة الحجم التي اكتشفها aLIGO قد تتحول إلى نفس المادة المظلمة التي كانت مختبئة منا منذ ما يقرب من 50 عامًا.
ليست هذه هي المرة الأولى التي يقترح فيها العلماء أن الثقوب السوداء قد تكون مادة مظلمة ، لكننا اعتقدنا أنه تم رفض هذا الاحتمال بشكل واضح. قيامة هذه الفكرة هي مثال آخر على النشاط الإبداعي الثري الذي نشأ بعد اكتشاف جديد. يمكن للأفكار التي خرجت عن الموضة العودة إليها إذا نظرت إليها من منظور جديد وبحماس - بل واستبدلت وجهات النظر المقبولة. تجمع مراجعة الاكتشافات أيضًا بين مجالات البحث التي لا يمكن مقارنتها - في حالتنا ، فهي مادة مظلمة وموجات الجاذبية - وتؤدي إلى روابط مثمرة.
في السبعينيات ، اقترح ستيفن هوكينج وطالب الدراسات العليا برنارد كار أنه من الفوضى التي اندلعت بعد الانفجار الكبير ، يمكن أن يظهر بحر من
الثقوب السوداء الأولية الصغيرة. بمرور الوقت ، يمكن أن تنمو وتصبح الأساس لتكوين المجرات. يمكنهم حتى المساهمة في ميزانية الطاقة الإجمالية للكون. الثقوب السوداء ثقيلة ويصعب رؤيتها - نحتاج إلى هذه الخصائص لشرح مسألة الكون الغائب.
لعدة عقود ، طورها المؤيدون المخلصون لهذه الفكرة. في التسعينات ، بدت أنها نجت من ضربة قاتلة. في تجربة
MACHO ، أرسل العلماء تلسكوبًا إلى Big Magellanic Cloud بحثًا عن ضوء وميض ، مما يعني أن ثقبًا أسود يمر أمام النجم. ووجدوا أنه سيكون من الصعب جدًا الحصول على ما يكفي من الثقوب السوداء لشطب جميع المواد المظلمة من الكون لهم.
في وقت لاحق ، درس تيموثي براندت من معهد برينستون للدراسات المتقدمة تأثير الثقوب السوداء على التجمعات النجمية الكثيفة ، والمعروفة باسم العناقيد الكروية التي تعيش في المجرات القزمة المختبئة في الفراغ حول درب التبانة. وأوضح أنه في حالة زيادة الثقوب السوداء ، ستسخن هذه العناقيد وتنتفخ وتموت بسرعة. باستبدال قيم محددة لمجموعة معينة في المجرة القزمة Eridanus II ، كان قادرًا على إظهار أنه لا يمكن أن يوجد سوى جزء صغير من المادة المظلمة في شكل ثقوب سوداء. في هذا الصدد ، تحولت فكرة الثقوب السوداء التي تعمل كمادة مظلمة إلى فكرة غريبة أخرى ، يحب المنظرون اللعب بها ، ولكن بدون دعم حقيقي في الطبيعة.
وركز البحث عن المادة المظلمة على ضعف التفاعل بين الجسيمات الضخمة ،
WIMP . هذه هي الجسيمات الأساسية ، والآثار من الأزمنة الأولى ، عندما تم الجمع بين التفاعلات الأساسية في الطبيعة وتصرفها بشكل مختلف تمامًا عما هي عليه الآن. بالنسبة لكثير من زملائي ، فإن اكتشاف WIMP أمر لا مفر منه ؛ يجب أن يكونوا موجودين. بمجرد أن نبني أداة كبيرة وقوية بما فيه الكفاية ، فعندئذ ، وفقًا لمعظم علماء الكون ، سنرى حتمًا هذه الجسيمات الغريبة.
هذا فقط لا يحدث. بمرور الوقت ، أصبحت أجهزة الكشف لدينا أكثر قوة وأكبر ، لكنها لم تجد أي شيء. في تجربة
LUX الأخيرة التي تبحث عن جسيمات نادرة تترك طاقتها في نصف طن من الزينون السائل المدفون كيلومترًا تحت الأرض في الرصاص في داكوتا الجنوبية ، لم يتمكنوا من إظهار دليل على جسيمات لم يسبق رؤيتها من قبل. قال ريتشارد جاتيسكل من جامعة براون ، أحد مؤسسي لوكس: "سيكون من الرائع إذا سمحت لنا الحساسية المحسنة برؤية إشارة واضحة للمادة المظلمة. ومع ذلك ، فإن ما نلاحظه يتوافق مع الخلفية فقط ".
بالنظر إلى الموقف اليائس من WIMP ، فمن المنطقي أن تلتقط بعض الأفكار القديمة ، والمضاربة ، المهملة. في عملين حديثين ، أحدهما برئاسة سيمون بيرد من الجامعة. قام بذلك جون هوبكنز والآخر ، ميساو ساساكي من جامعة يوكاوا في طوكيو.
وبفضل اكتشاف aLIGO ، توصلوا إلى مسألة ما إذا كانت الثقوب السوداء التي تزن عدة عشرات من الخلايا الشمسية يمكن أن تكون مادة مظلمة. كان يجب أن يكون هناك 10 مليارات من هذه الثقوب في درب التبانة ، وقد يكون أقربها بضع سنوات ضوئية من نظامنا الشمسي. كان على بعضها تشكيل أنظمة ثنائية ، ويمكن الكشف عن بعض هذه الأنظمة بواسطة aLIGO. يتفق الفريقان على أن aLIGO يجب أن تكتشف من عدة وحدات إلى عشرات الأحداث من هذا القبيل في السنة ، ويجب أن تسود على الثقوب السوداء الأخرى التي تظهر بطريقة مثل انهيار النجوم. وبعبارة أخرى ، إذا كانت هذه الثقوب السوداء عبارة عن مادة مظلمة مجرة ، يمكنك توقع رؤيتها من قبل LIGO. ورآهم.
الشيطان في التفاصيل. كيف يفترض أن تظهر ثقوب سوداء من عصور ما قبل التاريخ لا تزال مسألة مفتوحة. فكرة واحدة هي أنها نشأت في فترة وجيزة من التوسع المتسارع للكون المبكر ، أثناء التضخم. كان من المفترض أن تركز الصدمات والاهتزازات في تلك الفترة الطاقة في كرات كثيفة ، مما سيؤدي إلى تكوين ثقوب سوداء. لكي نكتشفها ، يجب أن تكون هذه الثقوب قريبة بما فيه الكفاية لدمج وإطلاق موجات الجاذبية. كيف ومتى يحدث هذا يعتمد على شكل درب التبانة وكثافة الكتلة وسرعة الثقوب السوداء. تعطي الافتراضات المعقولة إجابة واعدة ، لكنها لا تزال مضاربات.
هذه ليست سوى الخطوات الأولى في المجال بعد نشوة اكتشاف aLIGO ، ويمكن أن يحدث أي شيء. تعمل قيود تجربة MACHO وفيزياء العناقيد الكروية ضد هذه الفكرة ، ولكن بعض الأفكار الرائعة يمكن أن تحل جميع المشاكل المرتبطة بالملاحظات.
يذكرني افتتاح aLIGO بتحول آخر لاحظته في حياتي المهنية. في عام 1991 ،
قام القمر الصناعي COBE أولاً بقياس موجات CMB المتبقية من الانفجار الكبير. استمر البحث المخيّب للآمال والمُقارب تقريبًا عن هذا الإشعاع لأكثر من 25 عامًا ، وانتقل تقريبًا إلى مناطق علم الكونيات الإقليمية. بدا علم الكونيات في حد ذاته مقصورًا على فئة معينة ويصعب وصفه بالعلم ، وهو موضوع غامض ، رغم أنه مثير للاهتمام ومبدع للغاية. ولكن عندما تم العثور على الإشعاع أخيرًا ، خلق هذا سيلًا من الأفكار ليس فقط لعلم الفلك ، ولكن أيضًا لفيزياء الجسيمات.
على مدى عقود ، كنا نحاول ربط القوانين الأساسية للطبيعة التي حكمت الكون المبكر بكيفية ظهور المجرات من أجل تطوير وتشكيل الهياكل واسعة النطاق المرئية اليوم. وضعني اكتشاف COBE في المسار الذي كنت أتبعه حتى يومنا هذا ، ويمكنني أن أتخيل كيف سيفعل aLIGO نفس الشيء مع جيل جديد من الفيزيائيين في بحثهم عن المادة المظلمة.