تشير دراسة نظرية جديدة إلى أن العلماء قد يتمكنون قريباً من اكتشاف الكيان الأكثر غموضاً في الكون باستخدام أسطول من الأقمار الصناعية من الجيل التالي.
تهيمن المادة المظلمة على الكون، وهي مادة غير مفهومة جيدًا ولا تبعث الضوء أو تمتصه أو تعكسه ولكنها تمارس تأثيرًا جاذبيًا واضحًا على مادة أخرى. على الرغم من كونها أكثر وفرة في الفضاء بخمسة أضعاف من المادة العادية، إلا أن تركيب المادة المظلمة وخصائصها لا تزال مجهولة تمامًا.
ولمعالجة هذه المشكلة، اقترح هيونغجين كيم، عالم الفيزياء النظرية في مركز تسريع السنكروترون الإلكتروني الألماني (DESY)، البحث عن جسيمات المادة المظلمة باستخدام كاشفات موجات الجاذبية – وهي أدوات مصممة لقياس التموجات الدقيقة في نسيج الزمكان والتي تم التنبؤ بها لأول مرة بواسطة البرت اينشتاين.
متعلق ب: ما هي المادة المظلمة؟
المادة المظلمة على شكل موجات
هناك العديد من الفرضيات حول طبيعة جسيمات المادة المظلمة، والتي تتراكم بكميات هائلة لتشكل ما يسمى بالهالات في المجرات. وفي الورقة الجديدة، التي نُشرت في ديسمبر 2023 في مجلة علم الكونيات وفيزياء الجسيمات الفلكية، افترض كيم أن هذه الجسيمات قد تكون خفيفة للغاية، كما تتنبأ العديد من النظريات الشائعة للمادة المظلمة.
متعلق ب: يريد الفيزيائيون استخدام موجات الجاذبية “لرؤية” بداية الزمن
قال كيم لـ LiveScience عبر البريد الإلكتروني: “تظهر الجسيمات فائقة الخفة بشكل شائع في العديد من نظريات ما بعد النموذج القياسي”. وأضاف أن بعض هذه الجسيمات هي “مرشحة مثالية” للمادة المظلمة، مما يثير بعض الآثار المثيرة للاهتمام حول كيفية تصرف الكيان بعيد المنال.
“على عكس المرشحين الآخرين للمادة المظلمة، فإن جسيمات المادة المظلمة خفيفة الوزن تتصرف بشكل أكثر تشابهًا مع الكلاسيكية [electromagnetic] قال كيم: “الأمواج”.
قد تؤدي الخصائص الموجية للمادة المظلمة إلى سلوكيات غير متوقعة. على وجه الخصوص، تشير الدراسات النظرية الحديثة إلى أن كثافة المادة المظلمة داخل الهالة المجرية يجب أن تخضع لتغيرات عشوائية، مما يؤدي إلى تصادم المجرات بأكملها وربما يترك أدلة خفية حول تركيبة المادة المظلمة.
وقال كيم: “تخيل الأمواج في المحيط، نرى طوال الوقت أن هناك تقلبات على سطح المحيط، وتتطور بطرق لا يمكن التنبؤ بها”. وأضاف كيم: “الشيء نفسه سيحدث في هالة المادة المظلمة الخفيفة للغاية”، مع احتمال أن تمتد التقلبات الناتجة إلى ملايين المرات من المسافة بين الأرض والشمس.
إذا كانت المادة المظلمة خفيفة للغاية، وإذا كانت بالفعل تتصرف مثل الموجة، فمن المحتمل أن يتمكن العلماء من اكتشاف تحركاتها باستخدام أجهزة كشف موجات الجاذبية.
أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية تأتي للإنقاذ
وفقا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، فإن موجات الجاذبية هي تموجات في نسيج الزمكان.
عندما تمر مثل هذه الموجة عبر كاشف موجات الجاذبية، فإنها تغير هندسة الفضاء الداخلي، وتغير مؤقتًا المسافة بين مرآتين أو أشياء أخرى مماثلة موضوعة داخل الكاشف. يمكّن هذا التغيير الدقيق العلماء من اكتشاف وجود موجة الجاذبية.
في دراسته، يقترح كيم أن هذه المسافة يمكن تغييرها ليس فقط عن طريق موجة الجاذبية، ولكن أيضًا عن طريق تقلبات المادة المظلمة المتحركة، والتي يمكن أن تجذب المرايا بمجال جاذبيتها مثلما تجذب الأرض الأجرام السماوية التي تتحرك حولها.
وقال كيم: “تتحرك هذه التقلبات بشكل عشوائي داخل النظام الشمسي، وتقصف بشكل مستمر أجهزة كشف موجات الجاذبية”.
لمعرفة ما إذا كانت أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية الحديثة يمكنها نظريًا اكتشاف تأثير المادة المظلمة خفيفة الوزن، قام كيم بحساب كيف يمكن لجسيمات المادة المظلمة ذات الأحجام المختلفة أن تشوش الزمكان. كان على كيم أن يستكشف نطاقًا واسعًا من الكتل، من حوالي 16 إلى 28 مرة من حيث الحجم أصغر من كتلة الإلكترون.
وأظهر تحليله النظري أنه بالنسبة لكل هذه الكتل، فإن أجهزة الكشف الموجودة مثل مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO)، الذي ساعد في إثبات وجود موجات الجاذبية في عام 2015، لن تكون قادرة على اكتشاف تقلبات المادة المظلمة لأن حساسيتها شديدة للغاية. قليل.
قصص ذات الصلة:
– أول كاشف لموجات الجاذبية في الفضاء “LISA” سوف يبحث عن التموجات في الزمكان
– قد تكون أجهزة كشف موجات الجاذبية الموجودة على القمر أكثر حساسية من تلك الموجودة على الأرض
— كيف سيكشف كاشف موجات الجاذبية المستقبلي في الفضاء المزيد عن الكون
ومع ذلك، هناك عدة مشاريع لكاشفات موجات الجاذبية المستقبلية التي ستتواجد في الفضاء، ولن تكون المسافة بين أقمارها الصناعية عدة أميال، مثل المسافة بين مرآتي LIGO، بل أكبر بحوالي مليون مرة. إذا تغيرت هذه المسافة ولو بجزء صغير، فإن حجم التغيير يجب أن يكون كبيرًا جدًا بحيث يصبح تأثير المادة المظلمة قابلاً للقياس.
وقال كيم: “ما وجدته هو أن قصف تقلبات المادة المظلمة يمكن أن يترك إشارة مميزة في أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية، وربما تكون أجهزة الكشف المحمولة في الفضاء في المستقبل قادرة على اختبار فرضية المادة المظلمة خفيفة الوزن”. “يستخدم اقتراحي أجهزة كشف موجات الجاذبية المستقبلية المحمولة في الفضاء، مثل هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA).”
ومع أنه من المقرر حاليًا إطلاق LISA في منتصف ثلاثينيات القرن الحالي، فقد تكون هذه النظرية على بعد أكثر من عقد من الزمن قبل أن تكون قابلة للاختبار. ومع ذلك، أضاف كيم، أنه في هذه الأثناء قد تكون هناك طرق أخرى لاكتشاف تأثير المادة المظلمة على الزمكان.
وقال: “أقوم حاليًا بالتحقيق في احتمال دوران النجوم النيوترونية بسرعة كوسيلة أخرى لاستكشاف مثل هذه التقلبات”.