أثار همسات النجوم الأولى نقاشا صاخبا حول المادة المظلمة

يشير اكتشاف غير متوقع حديثًا إلى أن الكون المبكر لم ينظر إلى الإطلاق كما كان يعتقد سابقًا. يتم انتقاد النظريات الأولية القائلة بأن المادة المظلمة هي المسؤولة عن هذا التناقض

تبدو أخبار النجوم الأولى في الكون غريبة دائمًا. في تموز (يوليو) الماضي ، تلقى رنان باركانا ، عالمة الكونيات من جامعة تل أبيب ، بريدًا إلكترونيًا من زميلته منذ فترة طويلة جادا بومان . يقود بومان مجموعة صغيرة مؤلفة من خمسة علماء فلك قاموا ببناء تلسكوب لاسلكي وتشغيله في منطقة نائية في غرب أستراليا. هدفه هو اكتشاف همسات النجوم الأولى. وجد بومان والفريق إشارة غير واضحة تمامًا. وطلب من باركان مساعدته على التفكير في ما يمكن أن يطلق مثل هذه الإشارة بالضبط.

خلال السنوات التي تقوم فيها التلسكوبات الراديوية بفحص السماء ، يأمل الفلكيون في التقاط الإشارات الباهتة للنجوم الأولى في الكون. مثل هذه الأجسام خافتة للغاية ، وعلى مسافة تزيد عن 13 مليار سنة ضوئية - بعيدة جدًا بحيث لا يمكن تمييزها بواسطة المقاريب العادية. وبدلاً من ذلك ، يبحث الفلكيون عن آثار آثار هذه النجوم على الغاز المحيط بها. تحاول معدات بومان ، مثل التلسكوبات الأخرى ، اكتشاف فشل معين في الرسم البياني لموجات الراديو القادمة من الحواف البعيدة للكون.

يصعب إجراء مثل هذه القياسات بشكل رهيب ، حيث يمكن فقدان الإشارات المحتملة ليس فقط في كمية كبيرة من الإشارات الراديوية من المجتمع الحديث - وهذا أحد أسباب وجود التجربة في الأفنية الخلفية لأستراليا - ولكن أيضًا في الإشارات من مصادر الفضاء القريبة ، مثل مجرتنا درب التبانة. ومع ذلك ، بعد سنوات عديدة من العمل المنهجي ، توصل بومان مع زملائه وتجربة EDGES (تجربة للكشف عن الحقبة العالمية لتوقيع التأين - تجربة للعثور على آثار للعصر العالمي لإعادة التأيين) إلى استنتاج أنهم لم يكتشفوا النجوم الأولى فحسب ، بل وجدوا أيضًا دليل على أن الكون الشاب أبرد بكثير مما كان يعتقد الجميع.

كان باركانا متشككا. وقال: "من ناحية ، بدت القياسات موثوقة". "من ناحية أخرى ، كان ذلك غير متوقع".

ما الذي يمكن أن يجعل الكون المبكر يبدو باردًا؟ نظر Barkana في جميع الاحتمالات وأدرك أن هذا يمكن أن يكون بسبب وجود المادة المظلمة - مادة غامضة تملأ الكون ، وفي نفس الوقت تهرب من جميع المحاولات لفهم ماهيتها وكيف تعمل. وجد أن نتائج EDGES يمكن تفسيرها على أنها طريقة جديدة تمامًا لتفاعل المادة العادية والمادة المظلمة.

أعلنت EDGES تفاصيل حول هذه الإشارة واكتشاف النجوم الأولى في الكون في عدد 1 مارس من الطبيعة. إلى جانب المقال ، تم نشر عمل باركانا يصف هذه الفكرة الجديدة حول المادة المظلمة. نشرت وسائل الإعلام حول العالم أخبار الاكتشاف. وكتبت وكالة أسوشيتد برس أن "علماء الفلك قد ألقوا نظرة على فجر الفضاء عندما تحولت النجوم" ، وأضافت أنه "ربما اكتشفوا أيضًا مادة مظلمة غامضة في العمل".

ومع ذلك ، منذ نشر الأسبوع ، عبر علماء الكون حول العالم عن مزيج من الحماس والشك. الباحثون الذين شاهدوا نتيجة EDGES لأول مرة عندما ظهرت في Nature ، أجروا تحليلاتهم الخاصة ، وأظهروا أنه حتى لو كان هناك نوع من الطاقة المظلمة هو المسؤول عنها ، كما اقترح Barkan ، فإن جزءًا صغيرًا جدًا منها يمكن أن يكون له تأثير. (شارك باركان نفسه في بعض هذه الدراسات). لكن علماء الفلك التجريبيين قالوا إنه على الرغم من أنهم يحترمون فريق EDGES والعمل الصارم الذي قام به ، فإن هذه القياسات يصعب الوثوق بها تمامًا. قال دانييل برايس ، عالِم الفلك بجامعة سوينبرن للتكنولوجيا في أستراليا ، الذي يعمل في تجارب مماثلة: "إذا لم يكن هذا اكتشافًا ثوريًا ، فسيكون من الأسهل كثيرًا على الناس أن يؤمنوا بالنتائج". "العبارات الحية تتطلب أدلة حية".

وقد ترددت هذه الرسالة في المجتمع الكوني منذ نشر الأوراق في مجلة Nature.

مصدر الهمس

بعد يوم من اتصال بومان ببركانا وإخباره عن إشارة EDGES غير المتوقعة ، ذهب باركانا مع عائلته لزيارة والديه زوجته. خلال الرحلة ، كما يقول ، فكر في الإشارة ، وأخبر زوجته عن لغز مثير للاهتمام أخبره به بومان.

شعر بومان ، مع فريق EDGES ، بغاز الهيدروجين المحايد الذي ملأ الكون في ملايين السنوات الأولى بعد الانفجار العظيم. كان هذا الغاز عرضة لامتصاص الضوء ، مما أدى إلى ما يسميه علماء الكونيات شعريا "العصور المظلمة". على الرغم من أن الفضاء كان مليئًا بضوء الخلفية المتناثرة ، إلا أن الإشعاع المرحل (RI) - ما يسمى الشفق التالي للانفجار الكبير - امتصه هذا الغاز المحايد عند أطوال موجية معينة. كانت EDGES تبحث عن نمط الامتصاص هذا بالضبط.

عندما بدأت النجوم تتحول في الكون ، كان من المفترض أن تعمل طاقتها على تسخين الغاز. ونتيجة لذلك ، وصل الغاز إلى درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية وتوقف عن امتصاص RI. توقفت إشارات الامتصاص وانتهت العصور المظلمة.

تحتوي إشارة الامتصاص التي يقاسها EDGES على ثروة من المعلومات. تم تمديده بينما يتحرك نمط الامتصاص حول الكون المتوسع. يمكن لعلماء الفلك استخدام هذا التمدد لتقدير مدة مرور الإشارة ، وبالتالي عند تشغيل النجوم الأولى. بالإضافة إلى ذلك ، يتوافق عرض الإشارة المكتشفة مع مقدار الوقت الذي امتص فيه الغاز الإشعاع. وترتبط شدة الإشارة - كمية الضوء الممتص - بدرجة حرارة الغاز وكمية الضوء في الفضاء في ذلك الوقت.

يعتبر العديد من الباحثين أن هذه الخاصية الأخيرة هي الأكثر إثارة للاهتمام. قال ستيفن فورلانيتو ، عالم الكونيات بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ، الذي درس ما يمكن أن تعنيه بيانات EDGES لتشكيل المجرات الأولى: "تبين أن هذا الامتصاص أقوى بكثير مما كنا نعتقد أنه ممكن".


تشير الخطوط الزرقاء في الرسم البياني إلى قوة الامتصاص المتوقعة ، وفقًا لنماذج مختلفة. يظهر الخط الأحمر الامتصاص المقاس.

سيكون التفسير الأكثر وضوحًا لقوة الإشارة هو أن الغاز المحايد كان أبرد مما كان متوقعًا ، ولهذا السبب يمكن أن يمتص المزيد من RI. ولكن كيف كان الكون يبرد فجأة؟ قال باركانا ، "نحن نتحدث عن الفترة الزمنية التي بدأت فيها النجوم بالتشكل ، عن الظلام قبل الفجر". "لذا كان كل شيء باردًا قدر الإمكان". السؤال هو: ما الذي يمكن أن يكون أكثر برودة؟ "

عندما أوقف سيارته في حديقة منزل والديه زوجته في ذلك اليوم من تموز (يوليو) ، حصل على فكرة: هل يمكن أن تكون المادة مظلمة؟ في الواقع ، لا تتفاعل TM ، على ما يبدو ، مع المادة الطبيعية من خلال القوة الكهرومغناطيسية - لا تمتص ولا تنبعث منها الحرارة. لذا يمكن أن تكون TM في البداية أكثر برودة أو تبرد لفترة أطول من المادة العادية في بداية الكون ، ثم تستمر في البرودة.

خلال الأسبوع التالي ، عمل على نظرية حول كيف يمكن أن يكون الشكل الافتراضي لـ TM ، المسمى " المادة المظلمة لجسيمات الشحن الدقيق " ، مسؤولًا عن ذلك. يمكن أن تتفاعل المادة المظلمة الدقيقة (MTM) مع المادة العادية ، ولكن فقط من خلال التفاعل الضعيف. وأوضح فورلانيتو أن الغاز بين المجرات يمكن أن يبرد ، "في الواقع ، ببساطة عن طريق إلقاء الحرارة في قطاع المادة المظلمة ، التي لم تعد مرئية". وصف باركانا هذه الفكرة وأرسلها إلى الطبيعة.


رينان باركانا

ثم بدأ العمل مع هذه الفكرة بمزيد من التفصيل وبمساعدة الزملاء. فعل علماء آخرون نفس الشيء. مباشرة بعد ظهور الأعمال في الطبيعة ، بدأ العديد من علماء النظريات الكونية في مقارنة سلوك هذا النوع غير المتوقع من TM مع ما نعرفه عن الكون - عقود من ملاحظات إشعاع الأشعة السينية ، والبيانات من انفجارات السوبرنوفا ، ونتائج التصادم في مسرعات الجسيمات مثل مصادم هادرون الكبير ، وفهم علماء الفلك كيف أنتجت الانفجار الكبير الهيدروجين والهيليوم والليثيوم في الدقائق القليلة الأولى من الكون. إذا كان هناك MTM هناك ، فهل كل هذه الملاحظات ذات مغزى؟

ولكن لم ينجح شيء. بتعبير أدق ، وجد الباحثون أن MTM يمكن أن تشكل جزءًا صغيرًا فقط من إجمالي عدد TM في الكون - صغير جدًا لإحداث الفشل الملاحظ في بيانات EDGES. قالت أناستاسيا فيالكوف ، عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة هارفارد وأول مؤلف ورقة أرسلت إلى مجلة Physical Review Letters: "100٪ TM لا يمكنها التفاعل بهذه الطريقة". يدعي عمل آخر ، تم إعداده مسبقًا والذي أرسله باركان وزملاؤه إلى arxiv.org ، أن هذه النسبة يجب أن تكون أقل - لا يمكن أن تكون أكثر من 1-2 ٪ من إجمالي عدد MTMs. توصلت المجموعات المستقلة إلى نفس النتيجة.

إذا لم يكن هذا MTM ، فما الذي يمكن أن يفسر قوة امتصاص الإشارة غير المتوقعة من EDGES؟ الاحتمال الآخر هو وجود ضوء خلفي إضافي عند فجر الفضاء. وقال فورلانيتو إنه إذا كان الكون المبكر يحتوي على موجات راديو أكثر مما كان متوقعًا ، فإن "الامتصاص سيبدو أقوى ، على الرغم من أن الغاز نفسه سيظل كما هو". ربما لم يكن RI هو ضوء الخلفية الوحيد في طفولة الكون.

وهذه الفكرة ليست غريبة جدا. في عام 2011 ، ذكرت تجربة باستخدام بالون ، ARCADE 2 ، وجود إشارة راديو خلفية تجاوزت قوة كل ما يمكن توقعه من RI. لا يزال العلماء لا يستطيعون تفسير هذه النتيجة.

بعد اكتشاف EDGES ، قامت عدة مجموعات من علماء الفلك بإعادة النظر في البيانات. درست إحدى المجموعات إمكانية تفسير البيانات باستخدام BH ، لأنها أكثر مصادر الانبعاث اللاسلكي سطوعًا خارج المجرة في السماء. ومع ذلك ، فإن BHs تنبعث أيضًا أنواعًا أخرى من الإشعاع ، على سبيل المثال ، الأشعة السينية ، التي لم تتم ملاحظتها في أوائل الكون. لذلك ، يشك الفلكيون في فكرة أن BHs قد تكون الإجابة.

هل الإشارة حقيقية؟

ربما يكون أبسط تفسير لما يحدث هو أن البيانات ببساطة غير صحيحة. القياسات صعبة للغاية. ومع ذلك ، على ما يبدو ، بذل فريق EDGES كل ما هو ممكن للتحقق من بياناتهم والتحقق منها - يسمى السعر التجربة "انتقائية" - مما يعني أنه إذا كان هناك خلل في البيانات ، فسيكون من الصعب للغاية العثور عليه.


تم تشغيل هذا الهوائي الخاص بتجربة EDGES في عام 2015 في مكان بعيد في غرب أستراليا ، حيث لا يوجد أي تداخل لاسلكي تقريبًا

قال راؤول مونسالف ، عالم الكونيات التجريبي في جامعة كولورادو في بولدر ، وعضو فريق EDGES ، إن فريق EDGES أطلق هوائي الراديو الخاص به في سبتمبر 2015. وبحلول ديسمبر ، كانوا قد رأوا الإشارة بالفعل. "كنا نشك فيه على الفور لأنه كان أقوى مما كان متوقعا".

لذلك بدأ ماراثون العناية الواجبة الخاصة بهم. قاموا ببناء هوائي مماثل وتركيبه 150 متر من الأول. قاموا بتدوير الهوائيات للقضاء على التأثيرات والأدوات البيئية. استخدموا تقنيات المعايرة والتحليل منفصلة. قال مونسالف: "لقد قمنا بجميع أنواع الاختبارات والتجارب لمحاولة القضاء على احتمالية أن تأتي الإشارة من البيئة أو من مصدر آخر". - في البداية ، لم نصدق أنفسنا. كنا نعتقد أن مثل هذه الإشارة القوية تبدو مشبوهة للغاية ، لذلك استغرقنا الكثير من الوقت للنشر ". إنهم مقتنعون بأنهم يرون الإشارة ، وأن الإشارة قوية بشكل غير متوقع.

قال برايس: "أؤمن بالنتيجة" ، لكنه شدد على أن البيانات لا تزال بحاجة إلى التحقق من الأخطاء المنهجية. وذكر منطقة واحدة حيث يمكن للتجربة ، من حيث المبدأ ، أن تتجاهل الخطأ: حساسية أي هوائي تعتمد على التردد المرصود واتجاه وصول الإشارة. يمكن لعلماء الفلك أن يأخذوا هذه العيوب في الاعتبار ، إما عن طريق قياسها أو نمذجتها. قرر بومان وزملاؤه تقديم نموذج لهم. يقترح برايس أن يجد أعضاء فريق EDGES بدلاً من ذلك طريقة لقياسها ، ثم يعيدون تحليل الإشارة ، مع مراعاة التأثير المقاس.

تتمثل الخطوة التالية في الكشف عن هذه الإشارة على كاشف راديو آخر ، مما يعني أن الإشارة قادمة من السماء ، وليس من الهوائي أو نموذج EDGES. العلماء من مشروع LEDA (تجربة الفتحة الكبيرة للكشف عن العصور المظلمة - تجربة بفتحة كبيرة للكشف عن العصور المظلمة) ، الموجودة في كاليفورنيا في وادي أوينز ، يقومون حاليًا بتحليل البيانات من هذه الأداة. ثم سيحتاجون إلى تأكيد أن للإشارة طبيعة كونية ، ولا يتم إنتاجها في مكان ما في درب التبانة. هذه ليست مهمة سهلة. يمكن أن يكون الانبعاث الراديوي من مجرتنا أقوى آلاف المرات من الإشارات الكونية.

بشكل عام ، يرتبط الباحثون بقياسات EDGES وتفسيرها بحصة صحية من الشك ، كما يقول Barkana والعديد من الآخرين. يجب أن يكون العلماء متشككين في القياسات الأولى من نوعها - هذه هي الطريقة التي تضمن بها موثوقية الملاحظات ، ودقة التحليل وغياب الأخطاء في التجربة. هذه هي الطريقة التي يجب أن يعمل بها العلم. قال تومر فولانسكي ، اختصاصي فيزياء الجسيمات في جامعة تل أبيب ، الذي عمل مع باركانا في أحد الأعمال: "نطرح أسئلة ونجري أبحاثًا ونستبعد أي فرص خاطئة". "نحن نبحث عن الحقيقة." إذا كانت الحقيقة أنها ليست TM ، فهي ليست TM ".