يعتقد العلماء أن التوهج الغامض في مجرتنا يمكن أن يكون ناتجًا عن المادة المظلمة. ماذا يعني ذلك

يوجد في مركز مجرتنا وهج غامض ومنتشر صادر عن أشعة جاما، وهي إشعاعات قوية تنبعث عادةً من أجسام عالية الطاقة مثل النجوم التي تدور بسرعة أو تنفجر.

اكتشف تلسكوب فيرمي غاما-راي الفضائي التابع لناسا التوهج بعد وقت قصير من إطلاقه في عام 2008، وقد حير الضوء العلماء منذ ذلك الحين، مما أثار التكهنات حول سببه.

يعتقد بعض علماء الفلك أن مصدر التوهج هو النجوم النابضة – بقايا النجوم المنفجرة – بينما يشير آخرون إلى تصادم جزيئات المادة المظلمة، وهي شكل مراوغ وغير مرئي من المادة يُعتقد أنها أكثر وفرة بخمس مرات من المادة العادية.

وقد وجدت العديد من الدراسات في السابق دعمًا لكلتا الفكرتين، ولكن يبدو أن هناك مشكلة في نظرية المادة المظلمة: يبدو أن توهج أشعة جاما يتطابق مع شكل الانتفاخ المجري – وهي منطقة منتفخة مزدحمة في مركز درب التبانة تتكون في الغالب من النجوم القديمة، بما في ذلك النجوم النابضة. ويبدو أن هذه الملاحظة تدعم نظرية النجم النابض، حيث افترض الخبراء أن التوهج كان سيتخذ شكلاً أكثر كروية إذا كان مصدره المادة المظلمة. ومع ذلك، لم يتمكن علماء الفلك من مراقبة ما يكفي من النجوم النابضة التي من شأنها أن تنتج أشعة جاما لإجراء تقييم نهائي.

الآن، تظهر عمليات المحاكاة الجديدة التي تم إجراؤها باستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة لأول مرة أن تصادمات المادة المظلمة يمكن أن تكون أيضًا قد خلقت توهجًا على شكل انتفاخ، مما يضيف وزنًا إلى نظرية المادة المظلمة.

وقال جوزيف سيلك، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة جونز هوبكنز والمؤلف المشارك لدراسة تشرح بالتفصيل النتائج الجديدة، التي نشرت يوم الخميس في مجلة Physical Review Letters: “نحن في وضع حيث لدينا نظريتان، إحداهما تطرح المادة المظلمة وتدعي أنها يمكن أن تفسر البيانات التي نراها، والأخرى النجوم القديمة”.

“هناك احتمال بنسبة 50% أن تكون المادة المظلمة في هذه المرحلة، على عكس التفسير الأكثر دنيوية للنجوم القديمة، في رأيي.”

إن الدليل على المادة المظلمة من شأنه أن يشكل اكتشافًا رائدًا. وضع عالم الفلك السويسري فريتز زويكي أول نظرية لوجود المادة المظلمة في ثلاثينيات القرن العشرين، وأكد الفلكيان الأمريكيان فيرا روبين ودبليو كينت فورد هذه النظرية في السبعينيات. لقد لاحظوا أن النجوم التي تدور عند حافة المجرات الحلزونية كانت تتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن الاحتفاظ بها معًا بواسطة المادة المرئية والجاذبية وحدها، وافترضوا أن هناك كمية كبيرة غير مرئية من المادة تمنعهم من التطاير بعيدًا. وعلى الرغم من عقود من الجهود، لم يتمكن العلماء من ملاحظة المادة الغامضة بشكل مباشر، ومن هنا جاء اسمها.

وقال سيلك: “ليس هناك شك في أن طبيعة المادة المظلمة هي واحدة من المشاكل الرئيسية البارزة في الفيزياء”. “إنه شيء موجود في كل مكان – بالقرب منا، بعيدًا عنا، ولا نعرف ما هو.”

البحث عن WIMPs

هناك العديد من الفرضيات حول ماهية المادة المظلمة، بما في ذلك بقايا الثقوب السوداء البدائية أو نوع غير مكتشف من الجسيمات. تركزت معظم الجهود المبذولة للعثور على المادة المظلمة على الفكرة الأخيرة، مما أدى إلى بناء أجهزة كشف مثل تجربة LZ للمادة المظلمة في ولاية ساوث داكوتا.

تم تصميم الأداة لاكتشاف أحد أبرز المرشحين للمادة المظلمة، وهي جسيمات افتراضية تسمى WIMPs – الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل – والتي لا تمتص الضوء ويمكنها المرور عبر المادة العادية بسلاسة تقريبًا. يعتقد العلماء أنه عندما يلتقي اثنان من الجسيمات ضعيفة التفاعل، فإنهما يفنيان بعضهما البعض وينتجان أشعة جاما، مما يجعلهما مصدرًا معقولًا للتوهج.

استخدمت دراسة سيلك أجهزة الكمبيوتر العملاقة لإنشاء خريطة للمكان الذي يجب أن تكون فيه المادة المظلمة في درب التبانة، مع الأخذ في الاعتبار كيفية تشكل المجرة في الأصل.

قال سيلك: “كانت المشكلة هي أن جميع نماذج المادة المظلمة في مجرتنا على مدار العشرين عامًا الماضية تفترض أنها تشبه في الأساس كرة كروية. ولا يوجد لها شكل، لأن هذا كان أبسط نموذج”.

“كانت مساهمتنا، لأول مرة، في إجراء محاكاة حاسوبية حقيقية لتوزيع المادة المظلمة. وقد وجدنا الجزء المركزي من المادة المظلمة، حيث تنبعث أشعة جاما، في الواقع، مضغوطًا – أشبه بشكل البيضة.” وأوضح سيلك أن هذا الشكل المضغوط يتطابق بشكل وثيق مع بيانات تلسكوب فيرمي.

ولحسن الحظ، فإن تأكيد العلاقة بين المادة المظلمة والتوهج قد لا يكون بعيدًا جدًا في المستقبل القريب. هناك أداة جديدة، مرصد مصفوفة تلسكوب شيرينكوف، أو CTAO، قيد الإنشاء في موقعين – أحدهما في تشيلي والآخر في إسبانيا – وسيبدأ في إعادة البيانات بحلول عام 2027. وقال سيلك إن CTAO سوف يكتشف أشعة غاما بدقة أعلى بكثير من فيرمي، مما يجعل من الممكن معرفة ما إذا كانت أشعة جاما الموجودة في مركز درب التبانة هي نتاج تصادمات المادة المظلمة.

وأضاف أن هذا الاكتشاف سيكون بمثابة تقدم كبير في البحث عن المادة المراوغة، بالإضافة إلى تقديم دليل على أن بعض المادة المظلمة على الأقل تتكون من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs). وعلى العكس من ذلك، إذا لم يربط CTAO التوهج بالمادة المظلمة، فسيعود العلماء إلى المربع الأول في البحث، مع بقاء جميع الخيارات مطروحة على الطاولة.

سر أساسي

وقالت تريسي سلاتير، أستاذة الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والتي لم تشارك في الدراسة، إن الدراسة تساعد في إعادة فتح احتمال أن المادة المظلمة يمكن أن تفسر التوهج في مركز مجرتنا، على الرغم من أنها لا تعطي دليلا إيجابيا جديدا لصالح المادة المظلمة. ومع ذلك، فهي غير مقتنعة بوجود تطابق نهائي بين شكل توزيع المادة المظلمة والانتفاخ النجمي. وأضافت: “اعتقدت أن فرضية المادة المظلمة لا تزال معقولة حتى قبل هذه الدراسة”.

يعد هذا العمل دعمًا إضافيًا للجهود الدولية لمواصلة البحث عن الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs)، وفقًا لما ذكره تشامكور غاغ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كوليدج لندن، والذي لم يشارك أيضًا في بحث سيلك. وأضاف غاغ عبر البريد الإلكتروني: “إنها تظل الحل الأكثر أناقة لمشكلة المادة المظلمة التي طال أمدها”، مشيرًا إلى أنه مع وجود المزيد من أجهزة الكشف عن الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) قيد التطوير، فإن رؤية إشارات لهذه الجسيمات وهي تفنى في الفضاء ستعني حل لغز المادة المظلمة الذي يعود تاريخه إلى ما يقرب من قرن من الزمن.

وقال نيكو كابيلوتي، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء بجامعة ميامي، إن تلسكوب فيرمي قد غير قواعد اللعبة بالنسبة لناسا، وتظهر هذه الورقة أن المادة المظلمة لا تزال في السباق لتفسير التوهج الغريب في مركز مجرتنا. وقال كابيلوتي، الذي لم يشارك في الدراسة: “هذا اللغز حي، وهو من النوع الذي يبقي العلماء مثلي مستيقظين في الليل”.

وأضاف أن معرفة ماهية المادة المظلمة كان المسعى العلمي في قرننا هذا، مشيرًا إلى أن “هذه الجسيمات الافتراضية، كانت المشتبه بها الرئيسية لسنوات عديدة”. وقال إن حقيقة أن التجارب على الأرض لم تكتشفهم بعد أمر محبط.

قال كابيلوتي: “لكن فيرمي يمنحنا سببًا للاستمرار في الإيمان. تذكرنا هذه الورقة بعدم شطب الجسيمات ضعيفة التفاعل (WIMPs) من القائمة حتى الآن – فربما لا تزال تضيء مركز مجرتنا”. “وإذا كان هذا صحيحا، فنحن أقرب من أي وقت مضى إلى الكشف عن سر أساسي للكون.”

قم بالتسجيل في النشرة الإخبارية للعلوم Wonder Theory على قناة CNN. استكشف الكون بأخبار الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.

لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية لـ CNN، قم بإنشاء حساب على CNN.com