تئوری جدید ماده تاریک بر مبنای آشکارسازی پرتو ایکس از کهکشان‌ها

معما‌ی ماده‌ی تاریک هر روز پیچیده‌تر می‌شود. برای دهه‌ها فیزیکدانان در سراسر جهان به دنبال فهم ماهیت ذراتی هستند که نوری از خود گسیل نمی‌کنند و انسان قادر به دیدن آن‌ها نیست و ماده‌ی تاریک نام دارند. به‌دلیل تعدادی از مشاهدات کیهانی در دهه‌ی ۱۹۳۰، وجود ماده‌ی تاریک تأیید شد. جالب است بدانید که تمام مواد تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ها، کهکشان‌ها و سیارات و در کل، جهان قابل رؤیت، تنها ۵ درصد از کل عالم را تشکیل می‌دهند و ۲۳ درصد عالم از ماده‌ی تاریک تشکیل شده است. تا به حال شناخت ذرات ماده‌ی تاریک ممکن نشده است. پژوهشگران دانشگاه گوتنبرگ به‌تازگی تئوری کوتاه جدیدی در مورد ماده‌ی تاریک ارائه داده‌اند که بیان می‌کند ماده‌ی تاریک بسیار با فرضیه‌ها‌ی قبلی متفاوت است. طبق این تئوری، ذرات ماده‌ی تاریک بسیار سبک هستند؛ چیزی در حدود صد برابر سبک‌تر از الکترون. این تئوری، با تئوری‌ها‌ی قبلی که ذرات ماده‌ی تاریک بسیار سنگین و پر‌جرم هستند، در تناقض شدید است.

با توجه به تئوری‌ها‌ی معمول، اگر ماده‌ی تاریک وجود نداشت، ستاره‌ها به شکل کنونی خود به دور مرکز کهکشان در گردش نبودند. ذرات احتمالی مطرح برای ماده‌ی تاریک، ذرات سنگین بدون بر‌هم‌کنش با محیط مادی هستند که به‌اختصار به آن‌ها WIMP گفته می‌شود. در حال مراجعی مثل آزمایشگاه ایتالیایی واقع در اعماق زمین به نام گرن ساسو (Gran Sasso) در حال جست‌و‌جو‌ی این ذرات هستند. با این وجود، مقالات علمی جدید منتشر‌شده نشان می‌دهند که دسترسی به ذرات ما‌ی تاریک به این سادگی‌ امکان‌پذیر نیست. پروفسور جوچیام کاپ از دانشگاه مینز، می‌گوید:

در حال حاضر به دنبال کاندیدا‌ها‌ی دیگری برای ذرات ماده‌ی تاریک هستیم.

پروفسور کاپ و همکارانش، ودران بردار، جیا لیو و سایو پینگ، نگاه دقیق‌تری به نتایج مشاهدات چند گروه مختلف در سال ۲۰۱۴ داشته‌اند. تمامی گروه‌ها خط طیفی ۳.۵ کیلوالکترون ولت (KeV) مربوط به تابش پرتو ایکس را از طرف کهکشان‌ها و خوشه‌ها‌ی کهکشانی دوردست، دریافت کرده بودند. این تابش اشعه‌ی X که منبع آن مشخص نیست، می‌تواند کلید حل معما‌ی ماده‌ی تاریک باشد. تفسیری که به‌تازگی از این خط طیفی حاصل شده، این است که احتمال دارد ذرات ماده‌ی تاریک  بعد از واپاشی، تابش X از خود گسیل کنند. به هر حال تیم کاپ در شرف دستیابی به یک کشف تازه است.

تصویر پرتو X از خوشه‌ی کهکشانی برساوش حدود ۲۴۰ میلیون سال نوری دور تر از زمین

تابش اشعه‌ X حاصل از نابودی ذرات ماده‌ی تاریک

پدیده‌ای که پژوهشگران تیم PRISMA تصویر می‌کنند، به این شکل است که دو ذره‌ی ماده‌ی تاریک با هم برخورد می‌کنند و نابود می‌شوند. این پدیده شبیه فرآیند برخورد الکترون و پاد‌ذره‌اش یعنی پوزیترون است. کاپ توضیح داد:

تا مدت‌ها تصور می‌شد که اگر ذرات ماده‌ی تاریک هم‌جنس ذرات نور باشند، نمی‌توان برای آن‌ها فرآیند نابودی در نظر گرفت. در این مدل جدید، با نگاه مو‌شکافانه‌ به این موضوع و مقایسه‌ی داده‌ها‌ی آزمایشگاهی به نتایجی رسیدیم که از نتایج و مدل‌ها‌ی قبلی بسیار دقیق‌تر است.

طبق مدل کاپ، ذرات ماده‌ی تاریک فرمیون‌ها‌یی با جرم چند کیلوالکترون ولت هستند که فعلا به آن‌ها نوترینو‌ها‌ی بی اثر گفته می‌شود. جرم بسیار کم این ذرات مشکلاتی به همراه می‌آورد. از جمله اینکه به‌سختی می‌توان چگونگی تشکیل کهکشان‌ها را توضیح داد. کاپ اشاره می‌کند:

تا به حال توانسته‌ایم مشکلات این مدل را به‌خوبی حل کنیم. مدل ما تصویر زیبایی از داستان ماده‌ی تاریک خواهد ساخت.

این فرضیه که فرآیند نابودی ذره‌ی ماده‌ی تاریک، یک فرآیند دو مرحله‌ای است، اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌کند. زمانی که مرحله‌ی اول فرآیند در حال اجرا است، ذره‌ی واسطه‌ای تولید می‌شود که سپس به پرتو ایکس واپاشی می‌کند. کاپ اضافه کرد:

نتیجه‌ی محاسبات ما نشان می‌دهد که تأثیرات پرتو ‌ایکس در محاسبات، با مشاهدات انجام‌شده مطابقت دارد.

مدل کاچ و تیمش تنها شروعی برای پژوهش‌های تازه در مورد ماده‌ی تاریک است و امکان دارد منبع دیگری برای پرتو ایکس دیده‌شده یافت شود. در حال حاضر فیزیکدان‌ها‌ی تجربی JGU در حال کار روی این موضوع هستند.

نتایج این مقاله در Phsical Review Letters منتشر شد.