يوم المادة المظلمة السعيد! تعرف على المشتبه بهم المعتادين وغير المعتادين في هذا اللغز الكوني
يوم المادة المظلمة السعيد! تعرف على المشتبه بهم المعتادين وغير المعتادين في هذا اللغز الكوني
رغم أن عيد الهالوين سيحتل بلا شك مركز الاهتمام اليوم، إلا أن هناك حدثًا مخيفًا آخر يستحق الاحتفال به. يصادف يوم الخميس (31 أكتوبر/تشرين الأول) أيضًا يوم المادة المظلمة هذا العام، وهو الوقت الذي يحتفل فيه العلماء بالبحث عن أكثر الأشياء غموضًا في الكون.
يتم الاحتفال بهذا اليوم منذ عام 2017، وسيتضمن هذا العام أكثر من 350 حدثًا عالميًا وإقليميًا ومحليًا تهدف إلى إشراك عامة الناس في لغز المادة المظلمة.
هل هناك من يشتبه في وجود المادة المظلمة؟ فلنبدأ، أليس كذلك؟
قبل الشروع في الاصطفاف الكوني، يجدر بنا التحقق من "مسرح الجريمة" لتحديد السبب الدقيق وراء كون المادة المظلمة لغزًا كبيرًا يسعى العلماء جاهدين لحله.
لماذا تشكل المادة المظلمة مشكلة كبيرة؟
فكر في كل ما تراه حولك يوميًا: سريرك، الماء المتدفق من صنابيرك، تلفازك، إفطارك، كل سيارة وحافلة تراها في طريقك إلى العمل، زملاؤك، مكتبك وحاسوبك، كرسيك وكأس النبيذ عندما تعود إلى المنزل، قطة المنزل المجاور و"الهدية" غير المرغوب فيها التي تركتها في حديقتك – وحتى أنت نفسك.
كل هذه الأشياء تتكون من مادة مكونة من ذرات، والتي هي في حد ذاتها مبنية من جزيئات من عائلة الباريون: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.
لننتقل الآن إلى ما هو أبعد من ذلك. فنحن نغادر الأرض (والتي تتكون أيضًا من مادة باريونية). والقمر مكون أيضًا من نفس النوع من المادة الذي تحدثنا عنه، وكذلك الكواكب الأخرى. وتقع الكويكبات في حزام الكويكبات الرئيسي بين كوكبي المريخ والمشتري. وهي مكونة من مادة باريونية. والمذنبات الجليدية في حزام كايبر عند الحافة الخارجية للنظام الشمسي؟ نعم، إنها مادة باريونية.
وعلى الرغم من طبيعتها النارية، فإن الشمس تتكون أيضًا من هذه الكتل البنائية الباريونية – وكذلك كل نجم وكل كوكب خارجي خارج النظام الشمسي. ويشمل ذلك النجوم الغريبة والميتة مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية بالإضافة إلى النجوم النابضة والعوالم المارقة. في الواقع، ينطبق نفس الشيء على الغاز والغبار الذي ينجرف بين كل هذه الأشياء.
الآن، فكر في هذا: المادة الباريونية تشكل 15% فقط من كل الأشياء الموجودة في الكون.
والباقي عبارة عن مادة مظلمة.
وليس لدينا أي فكرة عن ماهية المادة المظلمة.
يمكننا رؤية كل الأشياء المذكورة أعلاه لأن الباريونات التي تشكل ذراتها تتفاعل بقوة مع جزيئات الضوء، أو الفوتونات، وكذلك مع بعضها البعض.
المادة المظلمة مختلفة.
وهذا يرجع إما إلى أنها لا تتفاعل مع المادة والفوتونات اليومية، أو أنها تتفاعل بطريقة ضعيفة ونادرة للغاية بحيث لا يمكننا اكتشافها. وبالتالي، فإن المادة المظلمة غير مرئية لنا فعليًا. ومع ذلك، فإننا نعلم أن المادة المظلمة لابد وأن تكون موجودة لأننا نستطيع استنتاج وجودها. وذلك لأنه على الرغم من عدم تفاعلها مع القوة الكهرومغناطيسية التي تحملها الفوتونات، فإنها تتفاعل مع الجاذبية. ويمكن ملاحظة هذا التفاعل من خلال التأثير الذي تخلفه المادة المظلمة على الضوء وعلى المادة اليومية.
في الواقع، يفترض العلماء أن الكون قد تشكل عندما تدفقت المادة على طول خيوط المادة المظلمة في الشبكة الكونية وتجمعت عند نقاط التقاء تلك الخيوط. واليوم، تدور المجرات بسرعة كبيرة لدرجة أنه لولا التأثيرات الجاذبية للمادة المظلمة غير المرئية التي تحيط بها، لكانت قد انهارت.
الآن، دعونا نتفحص بعض الشخصيات المشبوهة التي تشكل المشتبه بهم الرئيسيين في قضية المادة المظلمة.
تعرف على WIMPs
الجسيمات التي تتناسب تمامًا مع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات – أفضل وصف لدينا لجسيمات الكون وتفاعلاتها – لا تتناسب جيدًا مع صفات المادة المظلمة.
وقد دفع هذا الفيزيائيين إلى البدء في البحث عن امتدادات للنموذج القياسي، والتي قد تحتوي على مرشحين محتملين للمادة المظلمة. ويُطلق على أحد الأطر المحتملة "التناظر الفائق"، أو "SUSY". وتشير هذه الفكرة إلى أنه لكل جسيم في النموذج القياسي، يوجد شريك يمتلك قيمة "دوران" مختلفة. وقيمة الدوران هي شكل كمي من الزخم الزاوي.
هناك فئة واسعة من جسيمات التناظر الفائق التي قد تكون مسؤولة عن المادة المظلمة، وهي "الجسيمات الضخمة المتفاعلة بشكل ضعيف". لا يوجد تعريف دقيق لما هي الجسيمات الضخمة المتفاعلة بشكل ضعيف، لكن معظم النماذج تشير إلى أنها جسيمات غير باريونية محايدة كهربائيًا وثقيلة وبطيئة الحركة أو "باردة". تسمح هذه الطبيعة الثقيلة للجسيمات الضخمة المتفاعلة بشكل ضعيف بالتجمع معًا حيث تنمو المجرات وتجمعات المجرات، وهو أمر غير ممكن لجسيمات المادة المظلمة الخفيفة والسريعة الحركة.
تشمل الأمثلة الافتراضية للجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) نيوترينوات الجيل الرابع، والتي ستكون أثقل من النيوترينوات القياسية (والتي غالبًا ما يشار إليها باسم "الجسيمات الشبحية" بسبب ضعف تفاعلاتها مع المادة)، وجسيمات كالوزا-كلاين، والنيوترالينو.
إن إحدى التجارب التي تبحث بشكل مكثف في الفيزياء خارج النموذج القياسي هي مصادم الهدرونات الكبير (LHC)، وهو أقوى مسرع للجسيمات في العالم ويقع تحت الحدود بين فرنسا وسويسرا وتديره منظمة الأبحاث النووية الأوروبية (CERN).
"لا يقدم النموذج القياسي وحده تفسيرًا للمادة المظلمة. في العديد من النظريات، يتوقع العلماء أن تكون الجسيمات الفائقة التناظر الأخف وزنًا مستقرة ومحايدة كهربائيًا وتتفاعل بشكل ضعيف مع جسيمات النموذج القياسي"، كما توضح منظمة سيرن على موقعها على الإنترنت. "هذه هي بالضبط الخصائص المطلوبة للمادة المظلمة".
ولكن حتى الآن لم يتم الكشف عن أي دليل على وجود جسيمات تتجاوز النموذج القياسي في مصادم الهدرونات الكبير. وعلى نحو مماثل، فشلت هذه الجسيمات التي تتفاعل بشكل ضعيف في الظهور في تيارات من الجسيمات المشحونة تسمى الأشعة الكونية التي تقصف الأرض من المجرات القريبة وعناقيد المجرات. وقد ألقى هذا بعض الشكوك على فرضية الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل، ولكن المحققين في المادة المظلمة ينصحونهم بالتأكيد بعدم مغادرة المدينة.
ماذا عن الأكسيون؟
الأكسيونات هي جسيمات افتراضية أخف من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل، ولكنها لا تزال تتمتع بصفات تجعلها مرشحة جيدة للمادة المظلمة. وعلى وجه الخصوص، إذا كانت موجودة، فإن الأكسيونات لن تتفاعل مع الفوتونات وبالتالي ستكون "غير مرئية" مثل المادة المظلمة.
ومن المثير للاهتمام أن الأكسيونات لم تكن أول من طرح فرضية كمرشح للمادة المظلمة. فقد اقترح الفيزيائيان فرانك ويلكزيك وستيفن وينبرج هذه الجسيمات، التي لا تزال غير مكتشفة أيضًا، بشكل مستقل في عام 1978. وكان الغرض من الأكسيونات هو حل مشكلة في النموذج القياسي، وهي عدم التماثل المسمى "مشكلة التكافؤ القوي". ومشكلة التكافؤ القوي معقدة للغاية بحيث لا يمكن التطرق إليها هنا.
ولم يُقترَح وجود الأكسيونات كمرشح محتمل للمادة المظلمة الباردة إلا في وقت لاحق. والآن يُعتَبر الأكسيونات في الواقع المشتبه بهم الأكثر ترجيحًا في قضية المادة المظلمة.
وفي بيان صدر في وقت سابق من هذا العام، قال مالكولم فيربيرن، الباحث في كلية كينجز بلندن: "الأكسيونات هي أحد المرشحين الرئيسيين للمادة المظلمة. ومن المرجح أن يساعدنا العثور على الأكسيونات في حل أحد أكبر الأسئلة التي تواجه العلم، والتي استغرقت أكثر من قرن من الزمان، كما سيساعد في الكشف عن تاريخ الكون المبكر".
وبسبب طبيعتها الخفيفة الوزن، فلابد أن توجد بأعداد هائلة حتى تشكل الأكسيونات مادة مظلمة. وهذا يعني أنه لابد أيضاً من تكديسها في تكتلات كثيفة. وإذا كان الأمر كذلك، ففي المناطق ذات التركيزات العالية من المادة المظلمة، مثل مراكز المجرات، قد تتجمع الأكسيونات لتشكل ما يسمى "نجوم الأكسيونات".
وعلى الرغم من كون العلماء هم المشتبه به الرئيسي في لغز المادة المظلمة، إلا أنهم فشلوا حتى الآن في الكشف عن أدلة على وجود الأكسيونات. فضلاً عن ذلك، استبعدت التجارب الحالية وجود الأكسيونات في نطاق الكتلة والطاقة الذي افترضه ويلكزيك ووينبرج لأول مرة. ومع ذلك، فإن العديد من العلماء واثقون من أنهم على وشك اكتشاف هذه الجسيمات المرشحة للمادة المظلمة الباردة.
"لقد اكتشفنا أن هذه [الأكسيونات] لديها القدرة على تسخين الكون تمامًا مثل المستعرات العظمى والنجوم العادية بعد أن تتجمع في كتل كثيفة"، كما قال فيربيرن. "وبفضل هذه المعرفة، أصبحنا نعرف بيقين أكبر إلى أين نوجه أجهزتنا في الميدان للعثور عليها".
إن الخيار الواضح للمادة المظلمة هو الجسيمات التي تقع خارج النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، مثل تلك المذكورة أعلاه. ولكن كما هو الحال في كل الألغاز الرائعة، فلابد أن يكون هناك مجال لظهور مذنب يعتقد أنه أفلت من الشكوك.
شيء واحد آخر: MACHOs.
أحد التفسيرات المحتملة للمادة المظلمة والتي لا تتطلب استدعاء جسيمات جديدة أو امتدادات للنموذج القياسي هو "MACHOs" أو "أجسام الهالة المدمجة الضخمة". هذه هي الأجرام السماوية التي تصدر القليل من الإشعاع أو لا تصدر أي إشعاع على الإطلاق وتنجرف عبر الفضاء بين النجوم وحدها، مما يعني أنها خافتة للغاية بحيث لا يمكن رؤيتها.
على الرغم من أنك ربما لم تسمع عن الأجسام الضخمة غير المرئية، إلا أنك ربما تكون على دراية ببعض الأجسام التي تم اقتراحها لملء هذه الفئة. وتشمل هذه الأجسام النجوم القزمة الحمراء الباردة، والأقزام البنية "الناقصة" وبقايا النجوم مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية. كما يعتبر بعض العلماء الثقوب السوداء المعزولة ذات الكتلة النجمية من الأجسام الضخمة غير المرئية المحتملة.
يبدو أن MACHOs تتناسب بشكل جيد مع مفهوم شفرة أوكام أو "مبدأ الاقتصاد"، مما يشير إلى أن الفرضية التي تتطلب إضافة أقل عدد من الكيانات هي الفرضية الصحيحة على الأرجح. إذا كان لدى الضحية ثقب رصاصة في صدره، فمن المرجح أن يكون المشتبه به الذي يحمل المسدس المدخن هو الذي فعل ذلك.
ولكن على الرغم من هذا، فقد فقدت هذه الأجسام في الغالب اهتمام صائدي المادة المظلمة. ويرجع هذا جزئيًا إلى أنه حتى لو كانت الأجسام الضخمة الماكروسكوبية قادرة على تفسير المادة المظلمة، فلا يوجد ما يكفي من هذه الأجسام لتفسير كل المادة المظلمة. وتشير التقديرات الحالية إلى أن جميع الأجسام التي تم افتراضها على أنها أجسام ضخمة ماكروسكوبية لا يمكن أن تشكل مجتمعة سوى 20% من المادة المظلمة.
وهذا يعني أنه يجب طرح كيانات إضافية على أي حال لتفسير 80% الأخرى من المادة المظلمة.
من الصعب تفسير الانخفاض في الدعم لنظرية MACHOs باعتبارها مادة مظلمة بشكل أكثر إيجازًا من الفيزيائي النظري جون إليس من كينجز كوليدج لندن.
في مقال نُشر في مجلة Nature عام 2016، قال إليس ببساطة: "لقد ماتت الشخصيات الذكورية".
ثقوب سوداء صغيرة من فجر التاريخ
إن المرشح الغريب للمادة المظلمة الذي أشار إليه بعض العلماء هو الثقوب السوداء البدائية التي بقيت بعد الانفجار الكبير مباشرة – وهي بعض اللحظات الأولى من عمر كوننا.
تمتلك الثقوب السوداء الهائلة التي توجد في قلب كل المجرات الكبيرة كتلًا تبلغ ملايين أو حتى مليارات المرات من كتلة شمسنا، كما تمتلك الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية والتي تولد عند انهيار النجوم الضخمة كتلًا تتراوح بين عشرات إلى مئات المرات من كتلة الشمس – ولكن يُعتقد أن الثقوب السوداء البدائية كانت أقل وحشية بكثير.
يُقترح أن تتراوح كتلة الثقوب السوداء البدائية بين كتلة كوكب وكويكب متوسط الحجم. وهذا يعني أنه لا يمكن أن تكون قد تشكلت من الانهيار الجاذبي لنجم يحتضر؛ فلا يوجد نجم بهذا الصغر. وبدلاً من ذلك، يقترح العلماء أن التقلبات الأولية في الكثافة في الكون المبكر ربما تكون قد خلقت ثقوبًا سوداء بدائية.
إن الكتلة الضئيلة نسبياً للثقوب السوداء البدائية من شأنها أيضاً أن تمنحها حجماً ضئيلاً. فإذا كانت كتلة الثقب الأسود البدائي تقارب كتلة الأرض، فلن يكون عرضه أكبر من عشرة سنتات. وإذا كانت كتلة الثقب الأسود البدائي تقارب كتلة كويكب، فلن يكون عرضه أكبر من البروتون.
وليس من المستغرب أن تظل هذه الثقوب السوداء، إذا كانت موجودة، غير مكتشفة.
قد تكون الثقوب السوداء البدائية مناسبة للمادة المظلمة لأنها، مثل جميع الثقوب السوداء، ستكون محاطة بأسطح أحادية الاتجاه تحبس الضوء تسمى "آفاق الحدث". وهذا يعني أن هذه الثقوب السوداء، مثل المادة المظلمة، لا تصدر أو تعكس الضوء.
ولكن هناك خلل كبير في فرضية "الثقوب السوداء البدائية باعتبارها المادة المظلمة". فقد اقترح ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء "تتسرب" من شكل من أشكال الإشعاع الحراري الذي أطلق عليه فيما بعد "إشعاع هوكينج". ومن المفترض أن يؤدي هذا في نهاية المطاف إلى تبخر الثقب الأسود حتى يختفي في انفجار. ولكن لأن درجة حرارة الثقب الأسود تتناسب عكسياً مع كتلته، فإن الثقب الأسود كلما كان أكبر، كان أكثر برودة وأبطأ في "التسرب". وهذا يعني أن الثقوب السوداء الضخمة حقاً، مثل الثقوب السوداء الهائلة الكتلة وحتى بعض الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، سوف تستغرق فترة أطول من عمر الكون نفسه حتى تتبخر.
ولكن هذا لا ينطبق على الثقوب السوداء البدائية الصغيرة، التي كانت شديدة الحرارة، وبالتالي كانت فعّالة للغاية في تسريب الإشعاع الحراري إلى الفضاء البارد. وإذا كانت إشعاعات هوكينج صحيحة، فإن هذه الثقوب السوداء الصغيرة كان لابد أن تختفي في "نفخة من الحرارة" منذ زمن بعيد. وهذا يعني أنها لم تكن موجودة الآن لتفسير المادة المظلمة.
إنها ذريعة جيدة.
ولكن هذا لم يقنع كل محققي المادة المظلمة بالتخلي عن القضية ضد الثقوب السوداء البدائية. فقد اقترح بعض العلماء عدداً من آليات الإنقاذ التي قد تسمح للثقوب السوداء البدائية بالعيش لفترات أطول في الكون الذي يبلغ عمره 14.6 مليار سنة. وبالتالي، فإنها تظل في إطار المادة المظلمة، على الأقل في الوقت الحالي.
هل نظرياتنا عن الجاذبية خاطئة؟
هناك إمكانية خارجية أخرى لتفسير المادة المظلمة وهي أنه لا يوجد أي مادة مظلمة يمكن تفسيرها على الإطلاق.
تم تطوير نظرية ديناميكيات نيوتن المعدلة (MOND) في عام 1982 من قبل الفيزيائي الإسرائيلي موردهاي ميلجروم، وتشير إلى أن المادة المظلمة غير موجودة في المقام الأول. بدلاً من ذلك، تقترح نظرية ديناميكيات نيوتن المعدلة تعديل قانون إسحاق نيوتن الثاني للحركة (الذي ينص على أن معدل تغير الجسم في الزخم يساوي في المقدار والاتجاه القوة التي تسببت في التغيير).
وسوف ينطبق هذا التعديل على حالات التسارع الطفيف، مثل النوع الذي تشعر به النجوم على حافة القرص المجري الدوار. وهذا من شأنه أن ينفي الحاجة إلى وجود المادة المظلمة، حيث لن تكون هناك حاجة إلى "غراء" لربط المجرات ببعضها البعض.
لا يمكنك حل جريمة إذا لم يتم ارتكاب أي جريمة.
المشكلة الكبرى مع نظرية MOND هي أنها لا تستطيع تفسير سوى هذا الجانب المحدد الذي دفع علماء الفلك مثل فيرا روبين إلى افتراض وجود المادة المظلمة في المقام الأول: حقيقة أن المجرات متماسكة على الرغم من دورانها السريع.
هناك ظواهر أخرى تشير إلى وجود المادة المظلمة، مثل الانحراف الأكبر للضوء حول المجرات مقارنة بما تسببه المادة المرئية لتلك المجرات، والتي تم اكتشافها منذ ذلك الحين، ولكن هذه الظواهر لم يتم تغطيتها بالكامل بواسطة نظرية MOND.
كما تكافح نظرية MOND لتفسير التقلبات التي تسمى "التذبذبات الباريونية" التي نراها في الخلفية الكونية الميكروية (CMB)، وهي حقل إشعاع "حفري كوني" يخترق الكون بأكمله ويبقى من حدث وقع بعد الانفجار العظيم مباشرة. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن نظرية MOND ليست نظرية مبنية على نظريات أينشتاين في النسبية العامة والخاصة، فإن هذه التعديلات لقانون نيوتن يجب أن تفسر كل الظواهر التي تم استخدامها لإثبات صحة هذه النظريات، والتي ظلت صامدة لأكثر من قرن من الزمان.
ونتيجة لذلك، تخلى معظم العلماء عن مفهوم مراجعة الجاذبية النيوتنية، ولم يبق إلا عدد قليل من علماء الفيزياء الفلكية المتفانين الذين ما زالوا يواصلون التمسك به.
قصص ذات صلة:
وبطبيعة الحال، لا تزال هناك فرصة أن يتم الكشف في نهاية المطاف عن MOND، إلى جانب أي من المشتبه بهم الآخرين الذين ذكرناهم أعلاه، باعتبارهم الإجابة الحقيقية على لغز المادة المظلمة.
في الواقع، بحلول الوقت الذي نصل فيه إلى يوم المادة المظلمة التالي في عام 2025، ستكون الأدلة الجديدة قد جُمعت، وقد يقود المشتبه به الجديد المجموعة بدلاً من الأكسيونات. ربما تستعيد الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل والمضخمة قوتها بحلول ذلك الوقت، أو ربما تنهار حجة الثقوب السوداء البدائية تمامًا في النهاية.
هذا هو جمال اللغز الذي لم يتم حله.
