لا يزال علماء الفلك في مرحلة مبكرة عندما يتعلق الأمر بالأسئلة المتعلقة بطبيعة وخصائص المادة المظلمة.
وكانت النظرية حول وجود هذه المادةتم طرحه منذ أكثر من 40 عامًا كتفسير للتناقض بين كتلة جميع الأجسام المرئية في المجرة وكتلة المجرة نفسها. قررت عالمة الفلك فيرا روبين، التي اكتشفت هذا التناقض لأول مرة، أن هذه المادة غير المرئية شائعة للغاية وتشكل معظم الكون. اليوم نعرف هذه المادة باسم المادة المظلمة.
فيرا روبن. الصورة: معهد كارنيجي للعلوم / carnegiescience.edu
على الرغم من أن علماء الفلك لديهم ثلاثة على الأقلدليل على وجود مادة مظلمة ، ولم تنجح أي من محاولات الكشف عن الأدلة المباشرة لوجودها وتحديد خواصها.
ومع ذلك ، فإن عمل العلماء من جامعة ييل فيبقيادة بيتر فان دوكوم ، الذي نشر في مجلة نيتشر في مارس 2018 ، جعل العلماء أكثر من أي وقت مضى العلماء أقرب إلى إيجاد دليل آخر على وجود هذه المادة.
ماذا يعرف علماء الفلك عن المادة المظلمة؟
المادة المظلمة هي مادة ليست كذلكيتفاعل مع المسائل الأخرى عن طريق القوى الكهرومغناطيسية (EM) أو القوى النووية القوية. يعني عدم وجود تفاعلات كهرمغنطيسية أنه لا يمكن أن ينبعث أو يمتص أو يعكس أو ينكسر أو ينشر الضوء. هذا ، بالطبع ، يجعله موضوعًا معقدًا للمراقبة. ومع ذلك ، فإن حوالي 85 ٪ من جميع المواد في الكون هي مادة مظلمة.
حتى الآن ، ليس لدى العلماء دليل عملي على وجود المادة المظلمة بالفعل ، لكن هناك نظرية. وهنا الثلاثة الرئيسية.
منحنيات دوران المجرة
عندما يدور كائن حول الآخر ،يجب تسريع جسم ما في المدار باستمرار إلى المركز (أو بدقة أكبر ، كلاهما يتسارعان إلى مركز الكتلة المشترك بينهما). بدون هذا التسارع ، فإن الجسم المداري ببساطة يطير بعيدا.
أسرع الجسم يتحرك المداري ، ومطلوب مزيد من التسارع لإبقائه في المدار. لأنه في هذه الحالة يكون التسارع بسبب الجاذبية ، وهذا يعني أن الكتلة المركزية يجب أن تكون أكبر.
هذه المعرفة تتيح للعلماء "وزن" مختلفةأجزاء من المجرة ، بالإضافة إلى قياس سرعات الدوران ، ومقارنة الانزياحات الحمراء على جوانب الاقتراب والانحسار في المجرة. عند الترجيح ، يرى علماء الفلك تباينًا بين كتلة جميع الكائنات في المجرة وكتلتها الكلية.
الانزياح نحو الأحمر— تحول الخطوط الطيفية للعناصر الكيميائيةإلى الجانب الأحمر (الطول الموجي الطويل). قد تكون هذه الظاهرة تعبيرًا عن التشتت المنتشر الضعيف، أو تأثير دوبلر، أو الانزياح الأحمر الجذبوي، أو مزيج من هذه الأشياء. تم وصف تحول الخطوط الطيفية في أطياف الأجرام السماوية لأول مرة من قبل الفيزيائي الفرنسي هيبوليت فيزو في عام 1848 واقترح تأثير دوبلر الناجم عن السرعة الشعاعية للنجم لتفسير التحول.
عدسة الجاذبية
وفقا لنظرية النسبية العامة ، أيالوقت الذي يمر عبر حقل الجاذبية هو مشوه قليلا. إنها بمثابة عدسة الجاذبية ويمكن أن تنتج ، على سبيل المثال ، "حلقات أينشتاين" ، كما في الصورة أدناه.
تنص نظرية أينشتاين العامة للنسبيةأن ثقل الأجسام الفضائية الكبيرة مثل المجرات ينحني الفضاء من حولها وينحرف أشعة الضوء. عندما يحدث هذا ، صورة مشوهة لمجرة أخرى - مصدر الضوء.
"حلقة أينشتاين" في الصورة أعلاه هيصورة مشوهة لأحد المجرات (مظللة باللون الأزرق) ، تقع خلف المجرة (الحمراء) الأخرى في الوسط. ينتشر الضوء الأزرق في جميع الاتجاهات ، ولكنه ينحني بسبب خطورة المجرة الحمراء. هذا يعني أن الضوء ، الذي تم توجيهه في الأصل على الأرض مباشرة ، لن يصل أبداً إلى كوكبنا - على عكس الضوء الذي كان له اتجاه مختلف ، ولكن تم تشويهه بواسطة عدسة ويستمر كما لو كان من جميع الاتجاهات في وقت واحد. تشرح هذه العملية مظهر الخاتم.
في عدسات الجاذبية الضعيفة، الإحصائيةإن تحليل التشوهات في الضوء الذي نتلقاه يسمح لنا بـ "ملاحظة" مجال الجاذبية بين الأرض والمجرات البعيدة. غالبًا ما يكون هناك كتلة أكبر – وبالتالي مادة أكثر – في هذا المجال أكثر مما يستطيع العلماء تفسيره.
مثال على عدسة الجاذبية، والتي تثبت من وجهة نظر النظرية الحالية وجود المادة المظلمة، هي صورة لمجموعة المجرات الرصاصة، الموجودة في كوكبة كارينا.
تظهر الصورة آثار اصطدام مجرتين. يُظهر اللون الأحمر في الصورة مناطق المادة المرئية، ويُظهر اللون الأزرق المادة المظلمة، التي يتم تحديد وجودها عن طريق عدسة الجاذبية.
هذا التمييز يرجع إلى حقيقة أنمعظم المادة المضيئة في مجموعة من المجرات هي في وسط intracluster - في بلازما حارة كثيفة. عندما تصطدم أجزاء من البلازما مع بعضها البعض ، تتباطأ كمية كبيرة من المادة وتبقى في الوسط. لكن المادة المظلمة تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة ، لذلك يمكن لمكوناتها من المجموعتين المرور بحرية عبر بعضها البعض - وهذا يؤدي إلى الفصل الموضح في الصورة.
بقايا الإشعاع
خلال بضع مئات الآلاف من السنين الأولى بعد ذلكعند الانفجار الكبير، كان الكون ساخنًا بدرجة كافية ليصبح شديد التأين. وهذا ما جعله شبه معتم مؤقتًا للضوء، حيث تدور الفوتونات مثل أي جسيم آخر. ومع ذلك، عندما بردت الأشياء بدرجة كافية، اتحدت كميات كبيرة من البروتونات والإلكترونات لتشكل الهيدروجين المحايد، والذي أصبح شفافًا بدرجة كافية لمعظم الضوء المحيط به. حدثت هذه العملية بسرعة كبيرة (من حيث الوقت الكوني) - ونتيجة لذلك، تم إطلاق كل الضوء الموجود في الكون، نسبيًا، فجأة، مما أدى إلى لقطة في تلك المرحلة من تطوره. هذه طريقة مبسطة لوصف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.
ويمكن للعلماء اكتشاف هذا الضوءقم بتوجيه التلسكوبات الراديوية في أي اتجاه، واعتمادًا على منطقة المراقبة، ستتغير درجة الحرارة قليلاً. ويفسر الفرق في درجة الحرارة بوجود أو عدم وجود المادة المظلمة في هذه المنطقة.
ما هو غير عادي وجدت في المجرة الأولى؟
DF2 هي مجرة تنتمي إلى مجموعة كبيرةبقيادة المجرة الإهليلجية الضخمة NGC 1052. جذبت المجرة انتباه العلماء لأنها بدت مختلفة في الصور التي التقطتها مسح Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). في الأولى ظهرت المجرة كبقعة من الضوء الخافت، بينما في الثانية كانت عبارة عن مجموعة من الأجسام النقطية.
وبناء على هذه الملاحظات، قام العلماء بقيادةحدد بيتر فان دوكوم عشر مجموعات كروية (مجموعات كبيرة من النجوم القديمة) داخل المجرة ووجد أنها تتحرك أبطأ بثلاث مرات مما لو كان هناك الكثير من المادة المظلمة. والحقيقة هي أنه إذا كانت كتلة المجرة أكبر من كتلة الأجسام المرئية، فإن التجمعات تدور بشكل أسرع.
قام المجتمع العلمي بتقييم المنشور بشكل نقدي- كان خطأ الباحثين أنهم رصدوا عشر مجموعات فقط ولمدة ليلتين فقط. يعتقد المتشككون أن العلماء ربما تجاهلوا التفاصيل الأساسية حول حركة مجموعات النجوم، مما أدى إلى انحراف تقديراتهم لكتلة المجرة والمادة المرئية.
وفي الثانية؟
الطريقة الوحيدة لإثبات صحةكانت الملاحظة هي البحث عن مجرة ثانية ، والتي قد تحتوي على الحد الأدنى من المادة المظلمة - وفي مارس 2019 ، تم اكتشاف هذه المجرة.
وقد نشر الباحثون مقالين علميين - فيوكانوا أول من أعاد قياس كتلة DF2 باستخدام كاميرا هابل المتقدمة والتلسكوب الذي يبلغ قطره 10 أمتار في مرصد كيك في هاواي. هذه المرة، لاحظ علماء الفلك ليس فقط سرعة حركة العناقيد، ولكن أيضا سرعة دوران النجوم داخلها. ونتيجة لذلك، أثبت العلماء أن DF2 هي مجرة شفافة فائقة الانتشار، وحجمها تقريبًا نفس حجم مجرة درب التبانة. فقط كان هناك عدد أقل من النجوم بحوالي 200 مرة.
المادة الثانية كانت مكرسة لاكتشاف هذامجرات DF2 - DF4 ، التي تقع في نفس المجموعة بجوار المجرة NGC 1052. يعتقد الباحثون ، أولاً ، أن المجرات ذات الحد الأدنى من المادة المظلمة ليست غير شائعة ، وثانياً ، أن المجرة الكبيرة يمكن أن "تسرق" الظلام المسألة من جيرانهم الأصغر.
كيف يمكن أن يكون غياب المادة المظلمة دليلاً على وجودها؟
لفهم البيان أن غياب الظلامتؤكد المادة في مجرتين وجودها في الكون وفقًا للنظرية العامة للنسبية ، الأمر يستحق التفكير في انتقاد فكرة وجود المادة المظلمة.
بعض العلماء لا يوافقون على ذلك في الكونهناك مادة مظلمة ، ويعزى الدليل النظري لوجودها إلى ما يسمى بالديناميات النيوتونية المعدلة (MOND). تقول هذه النظرية البديلة أن الجاذبية على نطاق كوني لا تعمل بالطريقة التي تنبأ بها إسحاق نيوتن أو ألبرت أينشتاين. هذا يعني أن نظرية النسبية العامة ، التي بنيت عليها نظريات حول وجود المادة المظلمة ، لا تعمل مع المجرات.
على سبيل المثال، عالم الفيزياء النظرية إريك فيرليند مننشرت جامعة أمستردام ورقة علمية في عام 2016 تناولت الجاذبية كمنتج ثانوي للتفاعلات الكمومية واقترحت أن الجاذبية الإضافية المنسوبة إلى المادة المظلمة هي تأثير الطاقة المظلمة - الطاقة الخلفية المنسوجة في نسيج الزمكان للكون.
بمعنى آخر، يعتقد فيرليند أن المادة المظلمة ليست مادة، ولكنها مجرد تفاعل بين المادة العادية والطاقة المظلمة.
اكتشاف علماء من جامعة ييليوضح أنه يمكن فصل المادة المظلمة عن المادة العادية ، شريطة أن تتصرف كل من المجرات المكتشفة وفقًا لنظرية الجاذبية القياسية. أي أنه يمكن شرح العمليات التي تحدث فيها باستخدام المعادلات التي اكتشفها نيوتن وكيبلر.
ما هي الأسئلة
اكتشاف من قبل علماء الفلك، إذا نجحتم تأكيده بشكل قاطع من خلال الملاحظات المستقبلية، وهو ما يتحدى النظرية الحالية حول تكوين المجرات. على وجه الخصوص، نحن نتحدث عن افتراض أن NGC 1052 الأكبر حجمًا يمكنه "سرقة" المادة المظلمة من DF2 وDF4. إذا كان هذا ممكنًا حقًا، بشرط الحفاظ على الترتيب الذي يتم ملاحظته في كلتا المجرتين المرصودتين، فسيتعين على علماء الفلك إعادة النظر بالكامل في آلية تكوينها ووجودها.
"نأمل في معرفة مدى شيوعهاهذه المجرات وعما إذا كانت موجودة في مناطق أخرى من الكون. نريد أن نجد المزيد من الأدلة التي من شأنها أن تساعدنا على فهم مدى توافق خصائصها أو عدم توافقها مع نظرياتنا الحالية. وقال Dokkum في محادثة مع علم الفلك ، نأمل أن هذا سوف يسمح لنا باتخاذ خطوة أخرى في فهم واحدة من أعظم الألغاز في عالمنا - طبيعة المادة المظلمة.