راز ماده گمشده کیهان فاش شد

محققان نجومی با اتکا به سیگنال‌های رادیویی نیرومندی که به عنوان «انفجارهای رادیویی سریع» (FRB) شناخته می‌شوند، در نهایت موفق به کشف ماده گمشده‌ای شدند که در فاصله‌ بین کهکشان‌ها پنهان شده بود.

بر اساس اطلاعات منتشر شده از اس‌تی‌دی، بخش عمده‌ای از مواد موجود در جهان به صورت نامرئی باقی می‌ماند و تنها از طریق تأثیرات گرانشی‌اش قابل شناسایی است. این نوع از ماده به «ماده تاریک» معروف است. در کنار آن، ماده‌ای که ما بیشتر با آن آشنا هستیم، شامل اتم‌ها، سیارات و انسان‌ها می‌شود و تنها ۱۶ درصد از کل مواد جهان را تشکیل می‌دهد. این ماده با عنوان «ماده معمولی» یا «باریونیک» (baryonic) شناخته می‌شود، چرا که نور را تولید می‌کند و به همین سبب مشهود است، اما بخش زیادی از آن به طور رقیق در هاله‌های اطراف کهکشان‌ها یا به طور پراکنده میان کهکشان‌ها در فواصل نجومی وجود دارد.

از آنجا که این ماده به شدت پخش شده است، سال‌ها دانشمندان قادر نبودند بیش از نیمی از آن را شناسایی کنند. این ماده گمشده هنوز هم ناشناخته باقی مانده بود، اما اکنون پژوهشگران موفق به کشف آن شده و موضوع ماده گمشده را به سرانجام رسانده‌اند.

انفجارهای رادیویی سریع، نور کیهان

پژوهشگران «موسسه فناوری کالیفرنیا» (Caltech) و «مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان» (Harvard & Smithsonian) در تحقیقات اخیر خود اعلام کردند که برای نخستین بار موفق به شناسایی و اندازه‌گیری ماده معمولی گمشده پیشین شده‌اند. آن‌ها برای این منظور به استفاده از انفجارهای رادیویی از فضا یا همان «انفجارهای رادیویی سریع» پرداخته‌اند که پالس‌های کوتاه و قدرت‌مندی از انرژی را طی میلیاردها سال نوری منتقل می‌کنند.

«لیام کانر» (Liam Connor) استادیار در دانشگاه هاروارد و نویسنده اولیه این مطالعه گفت: «انفجارهای رادیویی سریع» از میان ابرهای موجود در محیط بین کهکشانی می‌درخشند و ما می‌توانیم با اندازه‌گیری دقتی در مقدار کُندی نور، وزن این ابرها را تخمین بزنیم، حتی زمانی که نورشان به طرز چشمگیری کم‌نور باشد.

بخش عمده‌ای از این تحقیق در هنگامی انجام شد که وی به عنوان استادیار پژوهشی در «موسسه فناوری کالیفرنیا» مشغول به کار بود و با همراهی همکارش «وایکرام راوی» (Vikram Ravi) استادیار نجوم به تحقیق پرداخت.

محققان در این پژوهش، ۶۹ انفجار رادیویی سریع مختلف را مطالعه کرده‌اند که هر کدام در فواصل بین حدود ۱۱.۷۴ میلیون تا ۹.۱ میلیارد سال نوری قرار دارند. دورترین آنها، با نام «FRB ۲۰۲۳۰۵۲۱B»، به عنوان دورترین انفجار رادیویی سریع ثبت شده در تاریخ شناخته شده است. هرچند تا بدین لحظه بیش از هزار انفجار رادیویی سریع شناخته شده است، اما دانشمندان موفق به ردیابی فقط حدود ۱۰۰ مورد از آن‌ها تا کهکشان‌های منبع شده‌اند.

بررسی کیهان در سایه‌های رادیویی

اگرچه این انفجارهای رادیویی سریع خود بسیار جالب هستند، اما در این تحقیق به منظور شناسایی ماده معمولی گمشده به کار رفتند. زمانی که نور با فرکانس رادیویی از این انفجارها به سمت زمین می‌رسد، در طول موج‌های گوناگون پراکنده می‌شود. میزان این پخش شدن یا پراکندگی به مقدار ماده‌ای که در مسیر نور وجود دارد وابسته است. «راوی» اشاره می‌کند: این مشابه است به اینکه سایه تمامی «باریون‌ها» را با «انفجارهای رادیویی سریع» به عنوان نور پس‌زمینه مشاهده می‌کنیم.

وی اضافه می‌کند: اگر فردی را ببینید، می‌توانید اطلاعات زیادی درباره‌اش به دست آورید، اما حتی اگر فقط سایه‌اش را ببینید، قادر هستید متوجه شوید که آن فرد وجود دارد و تقریباً دانستن اندازه‌اش امکان‌پذیر است.

نتایج این پژوهش نشان دهنده این است که ۷۶ درصد از ماده معمولی جهان در فضا میان کهکشان‌ها، که به عنوان «محیط میان‌کهکشانی» (intergalactic medium) شناخته می‌شود، موجود است. حدود ۱۵ درصد این ماده در هاله‌های کهکشانی متمرکز شده و ۷۵ درصد بقیه درون کهکشان‌ها، مانند ستاره‌ها یا گاز سرد کهکشانی، قرار دارد. این توزیع با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی پیشرفته همخوانی داشته، اما پیش از این به شکل رصدی تأیید نشده بود.

این دستاوردها به دانشمندان کمک می‌کند تا درک بهتری از رشد کهکشان‌ها به دست آورند و همچنین نشان می‌دهد که «انفجارهای رادیویی سریع» چگونه به حل مسائل مختلف کیهان‌شناسی، از جمله تعیین جرم ذرات زیراتمی مانند «نوترینوها» (neutrinos)، کمک می‌کنند. مدل استاندارد فیزیک پیش‌بینی می‌کند که این ذرات باید بدون جرم باشند، اما مشاهدات نشان داده‌اند که این ذرات دارای مقدار ناچیزی جرم هستند؛ بنابراین، دانستن جرم دقیق آن‌ها ممکن است به فیزیک جدیدی در زمینه مدل استاندارد فیزیک ذرات منجر شود.

آینده‌ای روشن برای کیهان‌شناسی

دانشمندان خاطرنشان کردند که این مطالعه نقطه عطفی در کاربرد «انفجارهای رادیویی سریع» در علم کیهان‌شناسی به حساب می‌آید.

تلسکوپ رادیویی «DSA-۲۰۰۰» در آینده در بیابان نوادا بر اساس مطالعاتی مشابه طراحی و ساخته خواهد شد. این آرایه رادیویی قادر خواهد بود تا سالانه ۱۰ هزار «انفجار رادیویی سریع» را شناسایی کرده و مکان‌یابی کند، نقشی که موجب افزایش فهم ما از این انفجارهای شدید و استفاده آن‌ها به عنوان کاوشگرهای ماده معمولی خواهد شد.

این مطالعه در نشریه Nature Astronomy منتشر گردید.