مادهٔ تاریک در یک آزمایش جدید کیهانی به‌صورت شگفت‌انگیزی رفتار عادی نشان می‌دهد
مادهٔ تاریک ممکن است بزرگ‌ترین راز کیهان باشد، اما دانشمندان به‌تازگی یکی از دقیق‌ترین آزمایش‌ها را برای بررسی رفتار واقعی آن انجام دادند.
آیا مادهٔ تاریک همان گونه که مادهٔ عادی تحت قوانین فیزیکی یکسان رفتار می‌کند؟ این سؤال همچنان یکی از معماهای بزرگ کیهان‌شناسی مدرن است، زیرا این نوع مادهٔ نامرئی (که نه نور تولید می‌کند و نه آن را منعکس می‌کند) هنوز فرضیاتی است و مطالعهٔ مستقیم آن به‌طراز فوق‌العاده‌ای دشوار است. پژوهشگران از دانشگاه ژنو (UNIGE) و مؤسسات همکار هدف دارند بررسی کنند آیا مادهٔ تاریک در مقیاس‌های بزرگ همان رفتار آشنای خود را نشان می‌دهد یا آیا نیروهای دیگری بر آن تأثیر می‌گذارند. مطالعهٔ آن‌ها که در نشریه Nature Communications منتشر شد، نشان می‌دهد مادهٔ تاریک به‌نظر می‌رسد همانند مادهٔ عادی رفتار می‌کند، هرچند هنوز نمی‌توانند امکان وجود تعامل جدید و پیشین‌ناشناخته را رد کنند. از آنجایی که فرض می‌شود مادهٔ تاریک پنج برابر مادهٔ عادی فراوان‌تر است، حتی یک بینش کوچک می‌تواند به روشن‌تر شدن نقش آن در شکل‌گیری جهان کمک کند.
مادهٔ عادی تحت تأثیر چهار نیروی بنیادی شناخته‌شده قرار می‌گیرد: گرانش، الکترومغناطیس و نیروهای قوی و ضعیف داخل اتم‌ها. سؤال این است که آیا مادهٔ تاریک به همان مجموعهٔ نیروها واکنش نشان می‌دهد؟ اگرچه مادهٔ تاریک نامرئی و کشف آن دشوار است، ممکن است همچنان این قوانین آشنا را دنبال کند یا شاید تحت تأثیر نیروی پنخی باشد که هنوز توسط دانشمندان شناسایی نشده است.
بررسی نحوهٔ حرکت مادهٔ تاریک در چاه‌های گرانشی
برای بررسی این امکان، تیم به‌سرپرستی UNIGE بررسی کرد که آیا مادهٔ تاریک همانند مادهٔ عادی در مقیاس‌های کیهانی به داخل چاه‌های گرانشی می‌افتد یا خیر. اجرام عظیم ساختار فضا را به‌هم می‌زنند و این چاه‌ها را شکل می‌دهند. مادهٔ عادی — سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها — بر اساس اصول فیزیکی مستقر که شامل نسبیت عام اینشتین و معادلات اویلر می‌شود، به داخل آن‌ها می‌افتد. تیم می‌خواست بداند آیا مادهٔ تاریک به‌صورت پیش‌بینی‌پذیری مشابه رفتار می‌کند.
“برای پاسخ به این سؤال، سرعت‌های کهکشان‌ها در سراسر جهان را با عمق چاه‌های گرانشی مقایسه کردیم،” به‌شرح کامیل بونوان، استادیار در دپارتمان فیزیک نظری دانشکدهٔ علوم UNIGE و هم‌نویسندهٔ این مطالعه می‌گوید. “اگر مادهٔ تاریک تحت تأثیر نیروی پنجم نباشد، آن‌گاه کهکشان‌ها — که عمدتاً از مادهٔ تاریک تشکیل شده‌اند — همانند مادهٔ عادی به این چاه‌ها می‌افتند و تنها توسط گرانش هدایت می‌شوند. از سوی دیگر، اگر نیروی پنجم بر مادهٔ تاریک تأثیر بگذارد، حرکت کهکشان‌ها را تحت تأثیر قرار خواهد داد و آن‌ها به‌صورت متفاوتی به داخل چاه‌ها خواهد افتاد. با مقایسه عمق چاه‌ها با سرعت‌های کهکشان‌ها، می‌توانیم وجود چنین نیرویی را بررسی کنیم.”
به‌نظر می‌رسد مادهٔ تاریک معادلات اویلر را دنبال می‌کند
با به‌کارگیری این روش بر روی داده‌های کیهانی مدرن، پژوهشگران دریافتند که مادهٔ تاریک به همان شیوه‌ای که مادهٔ عادی به داخل چاه‌های گرانشی می‌افتد، به این چاه‌ها می‌نَشسترند؛ یعنی رفتار آن مطابق معادلات اویلر است. “در این مرحله، هرچند این نتایج هنوز وجود نیروی ناشناخته‌ای را رد نمی‌کند. اما اگر چنین نیروی پنخمی وجود داشته باشد، نمی‌تواند بیش از ۷٪ از قدرت گرانش باشد؛ در غیر این صورت قبلاً در تجزیه‌وتحلیل‌های ما ظاهر می‌شد”، می‌گوید نستاسیا گرِیم، نویسندهٔ اول این مطالعه و پژوهشگر پسادکتری پیشین در دپارتمان فیزیک نظری دانشکدهٔ علوم UNIGE که اخیراً به مؤسسهٔ کیهان‌شناسی و گرانش دانشگاه پورتسموث پیوسته است.
گام‌های بعدی در جستجوی فیزیک نوین
این یافته‌های اولیه گامی مهم در بهبود درک ما از مادهٔ تاریک محسوب می‌شود. هدف کلیدی بعدی این است که تعیین کنیم آیا نیروی پنجم ظریف واقعاً بر آن تأثیر می‌گذارد یا خیر. “داده‌های آینده از جدیدترین آزمایش‌ها، همچون LSST و DESI، به نیروهایی حتی ۲٪ قدرت گرانش حساس خواهند بود؛ بنابراین باید بتوانند اطلاعات بیشتری دربارهٔ رفتار مادهٔ تاریک به ما ارائه دهند”، با این سخن اسحاق توتوساوس، پژوهشگر در ICE‑CSIC و IEEC و استادیار در IRAP، رصدخانه Midi‑Pyrénées، دانشگاه تولوز، هم‌نویسندهٔ این مطالعه، نتیجه‌گیری می‌کند.