31 أكتوبر هو يوم المادة المظلمة. فقط حول المركب: ما هي المادة المظلمة وأين تبحث عنها. كيف يبحث العلماء عن المادة المظلمة
يصف البناء النظري في الفيزياء ، المسمى بالنموذج القياسي ، تفاعلات جميع الجسيمات الأولية المعروفة للعلم. لكن هذا لا يمثل سوى 5٪ من المادة الموجودة في الكون ، في حين أن الـ 95٪ المتبقية ذات طبيعة غير معروفة تمامًا. ما هي هذه المادة المظلمة الافتراضية وكيف يحاول العلماء اكتشافها؟ Hayk Hakobyan ، طالب في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا وموظف في قسم الفيزياء والفيزياء الفلكية ، يتحدث عن هذا في إطار مشروع خاص.
يصف النموذج القياسي للجسيمات الأولية ، الذي تم تأكيده أخيرًا بعد اكتشاف بوزون هيغز ، التفاعلات الأساسية (الكهروضعيفة والقوية) للجسيمات العادية المعروفة لدينا: اللبتونات والكواركات وحاملات التفاعل (البوزونات والغلونات). ومع ذلك ، فقد تبين أن كل هذه النظرية المعقدة الضخمة تصف فقط حوالي 5-6٪ من كل المادة ، في حين أن الباقي لا يتناسب مع هذا النموذج. تُظهر لنا الملاحظات من اللحظات الأولى من حياة كوننا أن ما يقرب من 95٪ من المادة التي تحيط بنا هي ذات طبيعة غير معروفة تمامًا. بمعنى آخر ، نرى بشكل غير مباشر وجود هذه المادة المخفية بسبب تأثيرها الجاذبي ، لكن حتى الآن لم يكن من الممكن التقاطها مباشرة. تم تسمية ظاهرة الكتلة الخفية هذه باسم "المادة المظلمة".
يعمل العلم الحديث ، وخاصة علم الكونيات ، وفقًا للطريقة الاستنتاجية لشرلوك هولمز
الآن المرشح الرئيسي من مجموعة WISP هو الأكسيون ، الذي ينشأ في نظرية التفاعل القوي وله كتلة صغيرة جدًا. مثل هذا الجسيم قادر على التحول إلى زوج من الفوتون والفوتون في مجالات مغناطيسية عالية ، مما يعطي تلميحات عن كيفية محاولة اكتشافه. تستخدم تجربة ADMX غرفًا كبيرة تخلق مجالًا مغناطيسيًا يبلغ 80000 جاوس (أي 100000 مرة من المجال المغناطيسي للأرض). من الناحية النظرية ، يجب أن يحفز مثل هذا المجال تحلل الأكسيون إلى زوج من الفوتون والفوتون ، والذي يجب أن تلتقطه الكواشف. على الرغم من المحاولات العديدة ، لم يتم العثور على WIMPs أو الأكسيونات أو النيوترينوات المعقمة.
وهكذا ، فقد سافرنا من خلال عدد كبير من الفرضيات المختلفة التي تسعى إلى تفسير الوجود الغريب للكتلة المظلمة ، وبعد أن رفضنا كل شيء مستحيل بمساعدة الملاحظات ، توصلنا إلى عدة فرضيات محتملة يمكننا العمل بها بالفعل.
النتيجة السلبية في العلم هي أيضًا نتيجة ، نظرًا لأنها تحد من المعلمات المختلفة للجسيمات ، على سبيل المثال ، فإنها تقضي على نطاق الكتل المحتملة. من عام إلى آخر ، المزيد والمزيد من الملاحظات والتجارب الجديدة في المسرعات تعطي حدودًا جديدة أكثر صرامة على الكتلة والمعلمات الأخرى لجسيمات المادة المظلمة. وهكذا ، بالتخلص من كل الخيارات المستحيلة وتضييق دائرة البحث ، نقترب يومًا بعد يوم من فهم ما يتكون 95٪ من المادة في كوننا.
موسكو ، 31 أكتوبر - ريا نوفوستي ، أولغا كولينتسوفا.أظهرت حسابات العلماء أن 95٪ من الكون يتكون من مادة لم يستكشفها البشر بعد: 70٪ عبارة عن طاقة مظلمة و 25٪ مادة مظلمة. من المفترض أن الأول هو نوع من الحقول ذات طاقة غير صفرية ، لكن الثاني يتكون من جسيمات يمكن اكتشافها ودراستها. لكن ليس من أجل لا شيء أن تسمى هذه المادة بالكتلة المخفية - يستمر بحثها لفترة طويلة ويصاحبها مناقشات ساخنة بين علماء الفيزياء. من أجل تقديم أبحاثهم للجمهور ، بدأت CERN حتى يوم Dark Matter ، الذي يتم الاحتفال به لأول مرة اليوم ، 31 أكتوبر.
يقدم مؤيدو وجود المادة المظلمة حججًا قوية جدًا ، تؤكدها الحقائق التجريبية. بدأ التعرف عليه في الثلاثينيات من القرن العشرين ، عندما قاس عالم الفلك السويسري فريتز زويكي السرعة التي تتحرك بها مجرات مجموعة كوما حول مركز مشترك. كما تعلم ، تعتمد سرعة الحركة على الكتلة. أظهرت حسابات العالم أن الكتلة الحقيقية للمجرات يجب أن تكون أكبر بكثير من الكتلة المحددة في عملية الرصد باستخدام التلسكوبات. اتضح أن جزءًا كبيرًا إلى حد ما من المجرات غير مرئي لنا. لذلك ، فهو يتكون من مادة لا تعكس الضوء أو تمتصه.
التأكيد الثاني لوجود كتلة خفية هو التغيير في الضوء أثناء مروره عبر المجرات. الحقيقة هي أن أي جسم كتلته يشوه المسار المستقيم لأشعة الضوء. وهكذا ، فإن المادة المظلمة ستُجري تغييراتها الخاصة في صورة الضوء (صورة كائن بعيد) ، وستصبح مختلفة عن الصورة التي ستنشأ فقط من خلال المادة المرئية. هناك عشرة أدلة على وجود المادة المظلمة ، لكن الاثنين الموصوفين هما الدليل الرئيسي.
© 2012 الإشعارات الشهرية للمؤلفين الصادرة عن الجمعية الفلكية الملكية ، 2012 RAS
© 2012 الإشعارات الشهرية للمؤلفين الصادرة عن الجمعية الفلكية الملكية ، 2012 RAS
على الرغم من أن الدليل على وجود المادة المظلمة مقنع تمامًا ، لم يعثر أحد على الجسيمات التي تتكون منها ودرسها حتى الآن. يقترح الفيزيائيون أن هذه السرية ترجع إلى سببين. الأول هو أن هذه الجسيمات لها كتلة عالية جدًا (تتعلق بالطاقة من خلال الصيغة E = mc²) ، وبالتالي فإن إمكانيات المعجلات الحديثة ليست كافية ببساطة "لإنشاء" مثل هذا الجسيم. السبب الثاني هو الاحتمال الضئيل للغاية لظهور المادة المظلمة. ربما لا يمكننا العثور عليه على وجه التحديد لأنه يتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع جسم الإنسان والجسيمات المعروفة لنا. على الرغم من أن المادة المظلمة موجودة في كل مكان (وفقًا للحسابات) وتندفع جزيئاتها من خلالنا حرفيًا كل ثانية ، إلا أننا لا نشعر بها.
لاكتشاف جزيئات المادة المظلمة ، يستخدم العلماء أجهزة الكشف الموجودة تحت الأرض لتقليل التأثيرات غير الضرورية. من المفترض أن جزيئات المادة المظلمة في بعض الأحيان لا تزال تتصادم مع النوى الذرية ، وتنقل جزءًا من زخمها إليها ، وتقطع الإلكترونات وتتسبب في ومضات من الضوء. يعتمد تواتر هذه الاصطدامات على احتمال تفاعل جسيمات المادة المظلمة مع النواة ، وتركيزها وسرعتها النسبية (مع مراعاة حركة الأرض حول الشمس). لكن المجموعات التجريبية ، حتى عند اكتشاف بعض الاصطدامات ، تنفي أن هذه الاستجابة للكاشف كانت بسبب المادة المظلمة. وفقط مجموعة DAMA الإيطالية التجريبية ، التي تعمل في المختبر تحت الأرض في Gran Sasso ، تبلغ عن التغيرات السنوية الملحوظة في معدل تعداد الإشارات ، والتي يُفترض أنها مرتبطة بحركة الأرض عبر الكتلة المخفية للمجرة.
© الصورة: SuperCMDS Collaboration
في هذه التجربة ، يتم قياس عدد وطاقة ومضات الضوء داخل الكاشف على مدى عدة سنوات. وأثبت الباحثون وجود تقلبات سنوية ضعيفة (حوالي 2٪) في معدل إحصاء مثل هذه الأحداث.
على الرغم من أن المجموعة الإيطالية تدافع بثقة عن مصداقية التجارب ، فإن آراء العلماء حول هذه المسألة غامضة إلى حد ما. نقطة الضعف الرئيسية في النتائج التي حصلت عليها المجموعة الإيطالية هي عدم قابليتها للتكاثر. على سبيل المثال ، عندما تم اكتشاف موجات الجاذبية ، تم اكتشافها بواسطة المعامل حول العالم ، وبالتالي تأكيد البيانات التي حصلت عليها المجموعات الأخرى. في حالة DAMA ، الوضع مختلف - لا يمكن لأي شخص آخر في العالم التباهي بنفس النتائج! بالطبع ، هناك احتمال أن هذه المجموعة لديها كواشف أكثر قوة أو أساليبها الخاصة ، لكن هذا التفرد في التجربة يجعل بعض الباحثين يشككون في موثوقيتها.
"ليس من الممكن حتى الآن تحديد ما تشير إليه البيانات التي تم جمعها في مختبر Gran Sasso بالضبط. على أي حال ، قدمت مجموعة من إيطاليا نتيجة إيجابية ، وليس إنكارًا لشيء هو بالفعل ضجة كبيرة. والآن تم العثور على الإشارات بحاجة إلى شرح ، وهذا حافز كبير لتطوير مجموعة متنوعة من النظريات ، بما في ذلك تلك المكرسة لإنشاء نموذج للمادة المظلمة. ولكن حتى لو حاول أحد العلماء شرح سبب عدم ارتباط البيانات التي تم الحصول عليها بأي حال من الأحوال المادة المظلمة ، يمكن أن تكون هذه خطوة جديدة في فهم الطبيعة. على أي حال ، النتيجة هي ونحن بحاجة لمواصلة العمل ، لكنني شخصياً لا أستطيع أن أتفق تمامًا على أنه تم العثور على المادة المظلمة في الوقت الحالي ، "تعليقات كونستانتين بيلوتسكي ، باحث رائد في قسم فيزياء الجسيمات الأولية ، الجامعة الوطنية للبحوث النووية MEPhI.
المادة المظلمة لا تصدر أو تمتص الضوء ، عمليًا لا تتفاعل مع المادة "العادية" ، لم يتمكن العلماء بعد من التقاط جسيم "مظلم" واحد. لكن بدونها ، لا يمكن للكون المألوف لنا ، ونحن أنفسنا ، أن يوجد. في يوم المادة المظلمة ، الذي يتم الاحتفال به في 31 أكتوبر (قرر الفيزيائيون أن هذا هو الوقت المناسب تمامًا لقضاء عطلة على شرف المادة المظلمة والمراوغة) ، N + 1تساءل أندري دوروشكيفيتش ، رئيس قسم الفيزياء الفلكية النظرية في مركز الفضاء الفلكي التابع لمعهد ليبيديف الفيزيائي ، عن ماهية المادة المظلمة ولماذا هي مهمة جدًا.
N + 1: ما مدى ثقة العلماء اليوم في وجود المادة المظلمة حقًا؟
أندريه دوروشكيفيتش:الدليل الرئيسي هو ملاحظات تقلبات إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف ، أي النتائج التي تلقتها المركبة الفضائية WMAP و "" المركبة الفضائية على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية.
قاموا بقياس اضطراب درجة حرارة الخلفية الكونية الميكروية ، أي الخلفية الكونية الميكروية بدقة عالية. تم الحفاظ على هذه الاضطرابات منذ عصر إعادة التركيب ، عندما تحول الهيدروجين المتأين إلى ذرات متعادلة.
أظهرت هذه القياسات وجود تقلبات ، صغيرة جدًا ، حوالي واحد على عشرة آلاف من كلفن. لكن عندما بدأوا في مقارنة هذه البيانات بالنماذج النظرية ، وجدوا اختلافات مهمة لا يمكن تفسيرها بأي طريقة أخرى غير وجود المادة المظلمة. بفضل هذا ، تمكنوا من حساب نسب المادة المظلمة والعادية في الكون بدقة تصل إلى نسبة مئوية.
توزيع المادة في الكون (من اليسار إلى اليمين) قبل وبعد البيانات من تلسكوب بلانك
قام العلماء بالعديد من المحاولات للتخلص من المادة المظلمة غير المرئية وغير المحسوسة ، وقد تم إنشاء نظريات الجاذبية المعدلة ، مثل MOND ، التي تحاول شرح التأثيرات المرصودة. لماذا تُفضل نماذج المادة المظلمة؟
الوضع بسيط للغاية: تعمل نظرية أينشتاين الحديثة للجاذبية بشكل جيد على مقاييس الأرض ، والأقمار الصناعية تطير وفقًا لهذه النظرية بدقة. وهو يؤدي أداءً جيدًا جدًا على المقاييس الكونية. وجميع النماذج الحديثة التي تغير الجاذبية لا يمكنها تفسير كل شيء. لقد أدخلوا ثوابت جديدة في قانون نيوتن ، مما يجعل من الممكن تفسير تأثيرات وجود المادة المظلمة على مستوى المجرات ، لكنها تخطئ في المقياس الكوني.
هل يمكن أن يساعد اكتشاف موجات الجاذبية هنا؟ ربما سيساعد التخلص من بعض النظريات؟
ما تقيسه موجات الجاذبية الآن هو نجاح تقني كبير وليس علميًا. كان وجودها معروفًا منذ 40 عامًا عندما تم اكتشاف إشعاع الجاذبية من نجم نابض ثنائي (بشكل غير مباشر). أكدت ملاحظات موجات الجاذبية مرة أخرى وجود الثقوب السوداء ، على الرغم من أننا لم نشك في ذلك من قبل ، ولكن لدينا الآن أدلة مباشرة أكثر أو أقل هنا.
يمكن أن يمنحنا شكل التأثير ، التغيرات في موجات الجاذبية بقوة ، معلومات مفيدة للغاية ، لكننا نحتاج إلى الانتظار من خمس إلى عشر سنوات أخرى حتى نحصل على بيانات كافية لتنقيح نظريات الجاذبية.
كيف علم العلماء عن المادة المظلمة
بدأ تاريخ المادة المظلمة في عام 1933 ، عندما درس عالم الفلك فريتز زويكي توزيع سرعة المجرات في مجموعة تقع في كوكبة كوما بيرينيسيس Coma Berenices. وجد أن المجرات في الكتلة تتحرك بسرعة كبيرة ، وإذا تم أخذ المادة المرئية فقط في الاعتبار ، فلن يكون التجمع مستقرًا - ستنتشر المجرات ببساطة في اتجاهات مختلفة.
في مقال نُشر في 16 فبراير 1933 ، اقترح زويكي أنهما تم تماسكهما معًا بواسطة مادة جاذبية غير مرئية ، وهي مادة Dunkle Materie.
بعد ذلك بقليل ، أكد علماء الفلك الآخرون التناقض بين الكتلة "المرئية" للمجرات ومعايير حركتها.
في عام 1958 ، اقترح عالم الفيزياء الفلكية السوفيتي فيكتور أمبارتسوميان حله الخاص لمفارقة زويكي. في رأيه ، لا تحتوي مجموعات المجرات على أي مادة غير مرئية من شأنها أن تجعلها جاذبية. نحن ببساطة نلاحظ المجموعات في عملية الاضمحلال. ومع ذلك ، فإن معظم علماء الفلك لم يقبلوا هذا التفسير ، لأنه في هذه الحالة لن يكون عمر المجموعات أكثر من مليار سنة ، وبالنظر إلى أن عمر الكون أطول بعشر مرات ، فلن تكون هناك مجموعات بحلول اليوم.
تقول الأفكار المقبولة عمومًا حول المادة المظلمة أنها تتكون من WIMPs (WIMPs) ، وهي جسيمات ضخمة لا تكاد تتفاعل مع جسيمات المادة العادية. ماذا يمكن أن يقال عن ممتلكاتهم؟
لديهم كتلة كبيرة إلى حد ما - وهذا كل شيء تقريبًا ، لا يمكننا حتى تسمية الكتلة بالضبط. يسافرون مسافات طويلة دون اصطدام ، لكن اضطرابات الكثافة فيها لا تتحلل حتى على المقاييس الصغيرة نسبيًا - وهذا هو الشيء الوحيد الذي نحتاجه للنماذج اليوم.
يمنحنا الإشعاع CMB خصائص المادة المظلمة على نطاقات كبيرة ، على مقاييس عناقيد المجرات. ولكن من أجل "النزول" إلى مقياس المجرات الصغيرة ، فإننا مضطرون إلى استخدام نماذج نظرية.
يشير وجود المجرات الصغيرة إلى أنه حتى على المقاييس الصغيرة نسبيًا ، كان هناك عدم تجانس نشأ بعد وقت قصير من الانفجار العظيم. يمكن أن تتلاشى حالات عدم التجانس هذه وتتلاشى ، لكننا نعلم على وجه اليقين أنها لم تتلاشى على نطاق المجرات الصغيرة. يشير هذا إلى أن جسيمات المادة المظلمة هذه يجب أن يكون لها خصائص بحيث تستمر هذه الاضطرابات.
هل يصح القول إن النجوم لا يمكن أن تتشكل إلا بسبب المادة المظلمة؟
ليس صحيحا. بدون المادة المظلمة ، لا يمكن أن تتشكل المجرات ، ولا يمكن للنجوم أن تتشكل خارج المجرات. على عكس المادة المظلمة ، فإن الباريونات دائمًا ساخنة وتتفاعل مع إشعاع الخلفية. لذلك ، لا يمكنهم التجمع في نجوم بمفردهم ، ولا يمكن لجاذبية الباريونات ذات الكتلة النجمية التغلب على ضغطها.
تعمل جسيمات المادة المظلمة مثل الإسمنت غير المرئي الذي يسحب الباريونات إلى المجرات ، ثم تبدأ عملية تكوين النجوم فيها. يوجد ستة أضعاف المادة المظلمة من الباريونات ، إنها "تقود" والباريونات تتبعها فقط.
XENON1T للكشف عن الجسيمات المظلمة من زينون
تعاون Xenon100
هل هناك الكثير من المادة المظلمة حولنا؟
إنه موجود في كل مكان ، والسؤال الوحيد هو كم منه. يُعتقد أن كتلة المادة المظلمة في مجرتنا أقل إلى حد ما من 10 في المائة.
ولكن يوجد بالفعل بالقرب من المجرة المزيد من المادة المظلمة ، يمكننا أن نرى علامات الوجود حول كل من نظامنا وأنظمة النجوم الأخرى. بالطبع ، نراها بفضل الباريونات ، ونراقبها ، ونفهم أنها "تبقى" هناك فقط بسبب وجود المادة المظلمة.
كيف يبحث العلماء عن المادة المظلمة
منذ أواخر الثمانينيات ، أجرى الفيزيائيون تجارب في منشآت عميقة تحت الأرض في محاولة لالتقاط تصادم الجسيمات الفردية للمادة المظلمة. على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية ، نمت الحساسية الجماعية لهذه التجارب بشكل كبير ، حيث تضاعفت في المتوسط كل عام. أطلق مؤخرًا تعاونان رئيسيان ، XENON و PandaX-II ، أجهزة كشف جديدة أكثر حساسية.
قام أولهم ببناء أكبر كاشف للمادة المظلمة XENON1T في العالم. يستخدم هدفًا من الزينون السائل يبلغ وزنه 2000 كيلوغرام موضوعة في خزان مياه يبلغ ارتفاعه 10 أمتار. كل هذا تحت الأرض على عمق 1.4 كيلومتر في مختبر جران ساسو الوطني (إيطاليا). تم دفن منشأة PandaX-II على عمق 2.4 كيلومتر في مقاطعة سيتشوان الصينية وتحتوي على 584 كيلوغرامًا من الزينون السائل.
تستخدم كلتا التجربتين الزينون لأنه خامل للغاية ، مما يساعد على إبقاء مستويات الضوضاء منخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نوى ذرات الزينون ثقيلة نسبيًا (تحتوي على متوسط 131 نيوكليون لكل نواة) ، مما يوفر هدفًا "أكبر" لجزيئات المادة المظلمة. إذا اصطدم أحد هذه الجسيمات بنواة ذرة الزينون ، فسيؤدي ذلك إلى ظهور وميض ضوئي ضعيف ولكنه محسوس (وميض) وتشكيل شحنة كهربائية. يمكن أن تعطينا مراقبة حتى عدد صغير من هذه الأحداث بيانات مهمة حول طبيعة المادة المظلمة.
حتى الآن ، لم تكن هذه التجارب ولا أي تجارب أخرى قادرة على اكتشاف جسيمات المادة المظلمة ، ولكن يمكن استخدام هذا الصمت لوضع حد أعلى لاحتمال الاصطدام بين جسيمات المادة المظلمة والجسيمات العادية.
هل يمكن لجسيمات المادة المظلمة تكوين مجموعات مثل جسيمات المادة العادية؟
يمكنهم ، ولكن السؤال كله ما هي الكثافة. من وجهة نظر الفيزياء الفلكية ، المجرات هي أجسام كثيفة ، كثافتها في حدود بروتون واحد لكل سنتيمتر مكعب ، والنجوم أجسام كثيفة ، بكثافة تصل إلى جرام لكل سنتيمتر مكعب. ولكن هناك فرق مقدار 24 رتبة بينهما. كقاعدة عامة ، تتمتع غيوم المادة المظلمة بكثافة "مجرية".
هل هناك أي فرص للكثيرين للبحث عن جسيمات المادة المظلمة؟
إنهم يحاولون التقاط تفاعلات الجسيمات الفردية للمادة المظلمة مع ذرات المادة العادية ، كما يفعلون مع النيوترينوات. لكن من الصعب جدًا الإمساك بهم ، وليس حقيقة أن هذا ممكن.
يبحث تلسكوب CAST (CERN Axion Solar Telescope) في CERN عن الجسيمات الافتراضية - المحاور ، التي قد تتكون منها المادة المظلمة.
ربما تتكون المادة المظلمة بشكل عام مما يسمى بجسيمات "المرآة" ، والتي من حيث المبدأ لا يمكن ملاحظتها إلا من خلال جاذبيتها. تم اقتراح فرضية الكون "المرآة" الثاني منذ نصف قرن ، وهي نوع من مضاعفة الواقع.
لدينا ملاحظات حقيقية فقط من علم الكونيات.
أجرى المقابلة سيرجي كوزنتسوف
أظهرت حسابات العلماء أن 95٪ من الكون يتكون من مادة لم يستكشفها البشر بعد: 70٪ عبارة عن طاقة مظلمة و 25٪ مادة مظلمة. من المفترض أن الأول هو نوع من الحقول ذات طاقة غير صفرية ، لكن الثاني يتكون من جسيمات يمكن اكتشافها ودراستها.
لكن ليس من أجل لا شيء أن تسمى هذه المادة بالكتلة المخفية - يستمر بحثها لفترة طويلة ويصاحبها مناقشات ساخنة بين علماء الفيزياء. من أجل تقديم أبحاثهم للجمهور ، بدأت CERN حتى يوم Dark Matter ، الذي يتم الاحتفال به لأول مرة اليوم ، 31 أكتوبر.
يقدم مؤيدو وجود المادة المظلمة حججًا قوية جدًا ، تؤكدها الحقائق التجريبية. بدأ التعرف عليه في الثلاثينيات من القرن العشرين ، عندما قاس عالم الفلك السويسري فريتز زويكي السرعة التي تتحرك بها مجرات مجموعة كوما حول مركز مشترك. كما تعلم ، تعتمد سرعة الحركة على الكتلة. أظهرت حسابات العالم أن الكتلة الحقيقية للمجرات يجب أن تكون أكبر بكثير من الكتلة المحددة في عملية الرصد باستخدام التلسكوبات. اتضح أن جزءًا كبيرًا إلى حد ما من المجرات غير مرئي لنا. لذلك ، فهو يتكون من مادة لا تعكس الضوء أو تمتصه.
التأكيد الثاني لوجود كتلة خفية هو التغيير في الضوء أثناء مروره عبر المجرات. الحقيقة هي أن أي جسم كتلته يشوه المسار المستقيم لأشعة الضوء. وهكذا ، فإن المادة المظلمة ستُجري تغييراتها الخاصة في صورة الضوء (صورة كائن بعيد) ، وستصبح مختلفة عن الصورة التي ستنشأ فقط من خلال المادة المرئية. هناك عشرة أدلة على وجود المادة المظلمة ، لكن الاثنين الموصوفين هما الدليل الرئيسي.
© 2012 الإشعارات الشهرية للمؤلفين الصادرة عن الجمعية الفلكية الملكية ، 2012 RAS
صورة عنقود من المجرات. تظهر الخطوط "الخطوط العريضة" للمادة المظلمة
على الرغم من أن الدليل على وجود المادة المظلمة مقنع تمامًا ، لم يعثر أحد على الجسيمات التي تتكون منها ودرسها حتى الآن. يقترح الفيزيائيون أن هذه السرية ترجع إلى سببين. الأول هو أن هذه الجسيمات لها كتلة عالية جدًا (تتعلق بالطاقة من خلال الصيغة E = mc²) ، وبالتالي فإن قدرات المعجلات الحديثة ليست كافية ببساطة "لإنشاء" مثل هذا الجسيم. السبب الثاني هو الاحتمال الضئيل للغاية لظهور المادة المظلمة. ربما لا يمكننا العثور عليه على وجه التحديد لأنه يتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع جسم الإنسان والجسيمات المعروفة لنا. على الرغم من أن المادة المظلمة موجودة في كل مكان (وفقًا للحسابات) وتندفع جزيئاتها من خلالنا حرفيًا كل ثانية ، إلا أننا لا نشعر بها.
لاكتشاف جزيئات المادة المظلمة ، يستخدم العلماء أجهزة الكشف الموجودة تحت الأرض لتقليل التأثيرات غير الضرورية. من المفترض أن جزيئات المادة المظلمة في بعض الأحيان لا تزال تتصادم مع النوى الذرية ، وتنقل جزءًا من زخمها إليها ، وتقطع الإلكترونات وتتسبب في ومضات من الضوء. يعتمد تواتر هذه الاصطدامات على احتمال تفاعل جسيمات المادة المظلمة مع النواة ، وتركيزها وسرعتها النسبية (مع مراعاة حركة الأرض حول الشمس). لكن المجموعات التجريبية ، حتى عند اكتشاف بعض الاصطدامات ، تنفي أن هذه الاستجابة للكاشف كانت بسبب المادة المظلمة. وفقط مجموعة DAMA الإيطالية التجريبية ، التي تعمل في المختبر تحت الأرض في Gran Sasso ، تبلغ عن التغيرات السنوية الملحوظة في معدل تعداد الإشارات ، والتي يُفترض أنها مرتبطة بحركة الأرض عبر الكتلة المخفية للمجرة.
كاشف المادة المظلمة
في هذه التجربة ، يتم قياس عدد وطاقة ومضات الضوء داخل الكاشف على مدى عدة سنوات. وأثبت الباحثون وجود تقلبات سنوية ضعيفة (حوالي 2٪) في معدل إحصاء مثل هذه الأحداث.
على الرغم من أن المجموعة الإيطالية تدافع بثقة عن مصداقية التجارب ، فإن آراء العلماء حول هذه المسألة غامضة إلى حد ما. نقطة الضعف الرئيسية في النتائج التي حصلت عليها المجموعة الإيطالية هي عدم قابليتها للتكاثر. على سبيل المثال ، عندما تم اكتشاف موجات الجاذبية ، تم اكتشافها بواسطة المعامل حول العالم ، وبالتالي تأكيد البيانات التي حصلت عليها المجموعات الأخرى. في حالة DAMA ، الوضع مختلف - لا يمكن لأي شخص آخر في العالم التباهي بنفس النتائج! بالطبع ، هناك احتمال أن هذه المجموعة لديها كواشف أكثر قوة أو أساليبها الخاصة ، لكن هذا التفرد في التجربة يجعل بعض الباحثين يشككون في موثوقيتها.
"ليس من الممكن حتى الآن تحديد ما تشير إليه البيانات التي تم جمعها في مختبر Gran Sasso بالضبط. على أي حال ، قدمت مجموعة من إيطاليا نتيجة إيجابية ، وليس إنكارًا لشيء هو بالفعل ضجة كبيرة. والآن تم العثور على الإشارات بحاجة إلى شرح ، وهذا حافز كبير لتطوير مجموعة متنوعة من النظريات ، بما في ذلك تلك المكرسة لإنشاء نموذج للمادة المظلمة. ولكن حتى لو حاول أحد العلماء شرح سبب عدم ارتباط البيانات التي تم الحصول عليها بأي حال من الأحوال المادة المظلمة ، يمكن أن تكون هذه خطوة جديدة في فهم الطبيعة. على أي حال ، النتيجة هي ونحن بحاجة لمواصلة العمل ، لكنني شخصياً لا أستطيع أن أوافق تمامًا على أنه تم العثور على المادة المظلمة ، "علق كونستانتين بيلوتسكي ، الباحث الرائد في قسم فيزياء الجسيمات الأولية ، الجامعة الوطنية للبحوث النووية MEPhI.
