ممکن است ماده تاریک در مرکز کهکشان ما بدرخشد

حدود پانزده سال پیش، دانشمندان نوری عجیب در آسمان پرتوهای گاما مشاهده کردند—درخششی کم‌نور اما پیوسته در قلب کهکشان راه‌پیو که احتمال حضور ماده تاریکی که به آرامی در حال نابودی خود است را نشان می‌داد. امروز، پژوهش جدید دوباره به این بحث جان می‌بخشد که چه عاملی واقعاً این تابش را ایجاد می‌کند—و آیا این راز کیهانی که سال‌ها در جستجوی آن بودیم، سرانجام در دسترس خواهد شد.

چرخشی نوین در روایت ماده تاریک

داستان ماده تاریک — ماده‌ای که تصور می‌شود حدود ۸۵ درصد جرم کل جهان را تشکیل می‌دهد — بار دیگر به سوی چرخش تازه‌ای رفت. مطالعه‌ای جدید در Physical Review Letters، که همچنین در arXiv در دسترس است، سؤال ده‌ساله‌ای دربارهٔ هستهٔ کهکشان راه‌پیو و سیگنال‌های عجیب ناشی از آن را بازنگری می‌کند.

تیم پژوهشی شامل کیهان‌شناس مشهور بریتانیایی جوزف سیلیک، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه جانز هاپکینز و پژوهشگر در مؤسسه اخترفیزیک دانشگاه سوربن است. سیلیک و همکارانش از داده‌های تازه مأموریت گایا و شبیه‌سازی‌های قدرتمند ابرکامپیوتری برای بازتفسیر نتایج تلسکوپ فضایی گاما فِرمی ناسا استفاده کردند.

چرا ماده تاریک همچنان مهم است

بدون ماده تاریک، کهکشان‌ها به‌سادگی نمی‌توانستند به سرعت امروز شکل بگیرند. این ماده نامرئی به‌عنوان چارچوب کیهانی عمل می‌کند و رشته‌های عظیمی می‌سازد که به‌وسیلهٔ گرانش ماده عادی را به هم می‌کشند. مشاهدات پس‌زمینه میکروویو کیهانی توسط ماهواره پلانک نیز بدون حضور آن قابل توضیح نیست.

اما چون ماده تاریک نور منتشر نمی‌کند — یا تنها به‌صورت بسیار ضعیفی با آن تعامل دارد — پس نامرئی باقی می‌ماند. دانشمندان می‌دانند که نمی‌تواند از ذرات شناخته‌شدهٔ مدل استاندارد ساخته شده باشد، چرا که این امر پیش‌بینی‌های سنتز هسته‌ای انفجار بزرگ را که تولید اولیه هیدروژن، هلیوم و سایر عناصر سبک را توصیف می‌کند، نقض می‌کند.

تا کنون، ماده تاریک تنها از طریق اثرات گرانشی خود، که وزن ماده قابل مشاهده در کهکشان‌ها و خوشه‌ها را می‌گذارد، آشکار شده است. با این حال، برخی نظریه‌ها پیش‌بینی می‌کنند که ذرات ماده تاریک ممکن است گاه‌به‌گاه نابود شوند و در این فرآیند پالس‌های قابل‌تشخیص پرتوی گاما آزاد کنند.

تابش مرموز پرتوهای گاما

از اواخر دههٔ ۷۰ سال‌های گذشته، پژوهشگران گمان می‌کردند که چنین نابودی‌هایی می‌توانند ردپای متمایزی از پرتوهای گاما باقی بگذارند. در طول سال‌ها، تلسکوپ فِرمی مشاهده کرده است که مازاد غیرقابل توجیهی از این فوتون‌های پرانرژی از مرکز کهکشان راه‌پیو — و حتی از آندرومدا — می‌آید.

اکثر مدل‌های ماده تاریک پیش‌بینی می‌کنند که این ذرات در نزدیکی هسته‌های کهکشانی بیشترین چگالی را داشته باشند، جایی که برخوردها محتمل‌تر است. برخوردهای بیشتر به معنای نابودی‌های بیشتر — و به‌طور محتمل تابش بیشتر — است. اما در سال ۲۰۱۵، پژوهشگران MIT و پرینستون توضیح دیگری ارائه کردند: پالسارها.

پالسارها یا ماده تاریک؟

پالسارها — ستارگان نوترونی چرخان که پرتوهای قدرتمند تابشی ساطع می‌کنند — به‌عنوان منابع شناخته‌شدهٔ پرتوهای گاما شناخته می‌شوند. به دلیل ابرهای ضخیم گاز و گرد و غبار که نمای ما از هستهٔ کهکشان راه‌پیو را مسدود می‌کنند، امکان دارد جمعیت بزرگی از پالسارهای ضعیف و نامشخص همان درخششی را که پیش‌تر به ماده تاریک نسبت داده می‌شد، ایجاد کنند.

برای آزمون این فرض، دانشمندان داده‌های فِرمی را مدل‌سازی کردند. اگر سیگنال از ماده تاریک می‌آمد، نقشهٔ پرتوهای گاما باید صاف و یکنواخت به‌نظر می‌آمد. اگر پالسارها مسئول بودند، باید به‌صورت لکه‌لکه و «توده‌ای» ظاهر می‌شد. در سال ۲۰۱۵، نتایج به‌نظر می‌رسیدند که توضیح پالسارها را حمایت می‌کردند.

اما تیم سیلیک اکنون می‌گوید این تفسیر ممکن است بیش از حد ساده بوده باشد. داده‌های مأموریت گایا نشان می‌دهند که گذشتهٔ کهکشان راه‌پیو اصلاً آرام نبوده است — در طول میلیاردها سال، چندین کهکشان کوچکتر را بلعیده است. این برخوردها مادهٔ تاریک مرکزی را به هم ریخته و توزیع نامساوی ایجاد کرده‌اند.

با در نظر گرفتن یافته‌های گایا، پژوهشگران از شبیه‌سازی‌های نسل بعدی استفاده کردند تا نشان دهند که ماده تاریک می‌تواند همان الگوی نامنظمی را که پیش‌تر به‌عنوان دلیلی برای رد آن در نظر گرفته می‌شد، تولید کند. به عبارت دیگر، شواهد برای پالسارها و ماده تاریک هم‌اکنون به‌صورت مساوی در برابر یکدیگر قرار دارند.

آیا راز کیهانی به‌زودی حل می‌شود؟

نسل بعدی تلسکوپ‌های پرتو گاما می‌تواند سرانجام به این بحث پایان دهد. آرایه تلسکوپ شِرنکوف (CTAO) تصاویری با وضوح ده‌برابر بهتر نسبت به رصدخانه‌های فعلی مانند HESS، MAGIC و VERITAS ارائه خواهد داد.

اگر CTAO «اثر انگشت» طیفی منحصر به‌فرد نابودی ماده تاریک را شناسایی کند، این یکی از کشفیات انقلابی‌ترین در علم کیهان‌شناسی مدرن خواهد بود — و سرانجام ماده نامرئی را که از آغاز زمان جهان را شکل داده است، روشن می‌کند.