آیا سرانجام «ماده تاریک» را «دیدیم»؟ هالهٔ پرتوهای گاما در کهکشان ممکن است اولین مدرک مستقیم برای «چسب» نامرئی جهان باشد

توضیح اصلی پیشین برای مادهٔ تاریک ممکن است صرفاً ناشی از کم‌ارزیابی جرم ذرات سازندهٔ آن بوده باشد.

هاله‌ای از پرتوهای گاما که توسط تلسکوپ فضایی فِرمی کشف شده است، با آنچه که انتظار می‌رود در صورتی که ذراتی با جرمی حدود ۵۰۰ برابر جرم پروتون در نزدیکی مرکز کهکشانی کهکشان راه شیری نابود می‌شوند، همخوانی دارد. مطالعه‌ای جدید ادعا می‌کند منبع شناخته‌شده‌ای برای این پرتوهای گاما وجود ندارد و توزیع آن‌ها متفاوت از توزیعی است که اگر منبعشان نور کهکشانی (نه مادهٔ تاریک) باشد، انتظار می‌رود.

در میان اشیای نظری بسیاری که برای توضیح مادهٔ تاریک طرح شده‌اند، ذرات WIMP (ذرات بنیادی جسیم با تعامل ضعیف) مدت‌ها مورد توجه بوده‌اند. این ذرات زیراتمی هستند که تحت تأثیر میدان‌های گرانشی قرار می‌گیرند، اما با نیروی الکترومغناطیسی یا نیروی هسته‌ای تعامل ندارند. به‌دلیل تعامل ضعیف‌شان، شناسایی دشوار است؛ اما پیش‌بینی می‌شود که برخوردهای بین ذرات WIMP تحت شرایط خاصی منجر به نابودی‌شان شود و باری از ذرات دیگر و انرژی الکترومغناطیسی آزاد کند.

اگرچه برخی کهکشان‌ها به‌نظر می‌رسد نسبت به ستارگانشان مقدار اضافی مادهٔ تاریک داشته باشند، به‌طور کلی توزیع مادهٔ تاریک تقریباً با مادهٔ قابل‌دید همخوانی دارد. به همین دلیل، بالاترین تمرکز مادهٔ تاریک در مرکز کهکشان قرار دارد، بنابراین فیزیکدانان به‌دنبال تابش‌های توضیح‌ناپذیر در آنجا می‌گردند که می‌توانند نشانگر نابودی WIMPها باشد. پروفسور توتانی از دانشگاه توکیو بر این باور است که این کشف را یافته‌اند.

«ما پرتوهای گاما با انرژی فوتونی ۲۰ گیگا الکترون‌ولت (یا ۲۰ میلیارد الکترون‌ولت، مقدار انرژی بسیار بزرگ) را شناسایی کردیم که در ساختاری شبیه هاله به سمت مرکز کهکشانی راه شیری امتداد دارند. جزء انتشار پرتوهای گاما به‌دقت شکل مورد انتظار از هالهٔ ماده تاریک را بازتاب می‌دهد»، توتانی در بیانیه‌ای گفت.

گرچه پدیده‌های شناخته‌شده‌ بسیاری پرتوهای گاما تولید می‌کنند، توتانی ادعا می‌کند که یک افزونگی از فوتون‌های ۲۰ گیگا الکترون‌ولت وجود دارد که فراتر از توان این منابع است. «اگر این صحت داشته باشد، تا جایی که می‌دانم، این نخستین باری است که بشریت «ماده تاریک» را «دید». و معلوم می‌شود که ماده تاریک ذره‌ای جدید است که در مدل استاندارد فعلی فیزیک ذرات گنجانده نشده است. این یک تحول بزرگ در نجوم و فیزیک است»، توتانی گفت.

توتانی ادعای وجود یک قلهٔ تند در ۲۰ گیگا الکترون‌ولت نمی‌کند؛ بلکه بر این باور است که این مقدار، نقطهٔ اوج یک بازهٔ وسیع‌تری از انرژی‌های پرتوهای گاما است که فراتر از توان سایر منابع برای توضیح آن می‌باشد.

یک افزونگی پیشین از پرتوهای گاما با انرژی پایین‌تر از مرکز کهکشانی به‌عنوان نشانهٔ ماده تاریک شناخته شد، اما شواهد بعدی نشان داد که منبع آن ستاره‌ای است، احتمالاً پالسارها. توتانی استدلال می‌کند که توزیع متفاوت این افزونگی ۲۰ گیگا الکترون‌ولت نسبت به افزونگی قبلی نشان‌دهندهٔ منابع متفاوت است و این امر احتمال مسئولیت ماده تاریک را افزایش می‌دهد.

در سال ۲۰۱۶، کشف پرتوهای گاما که توسط تلسکوپ فِرمی نیز انجام شد، به‌عنوان نتیجهٔ نابودی ماده تاریک مطرح شد. اما در حالی که منبع آن در آن مورد بزرگ بود و در طول‌موج‌های دیگر تابش نمی‌کرد، از نظر ابعاد به‌هیچ‌وجه شبیه به مرکز کهکشانی نبود.

اگرچه تصور عمومی مردم از علم هنوز در عصر نابغهٔ تنها پابرجاست، امروزه اکثر پژوهش‌ها به‌صورت تیم‌های بزرگ انجام می‌شوند. توتانی به استثنای این قاعده است. دو سال پیش، او همراه تنها یک نویسنده دیگر، پدیدهٔ سوانح رادیویی سریع تکراری را به‌خرابی‌های ستاره‌ای در مگنتارها نسبت داد و اکنون ادعای جدید خود را به‌تنهایی منتشر کرده است.

شواهدی مبنی بر حضور جرمی بیش از آنچه در ستارگان و مواد عادی می‌بینیم، تقریباً به یک قرن پیش بازمی‌گردد. در چنین زمینه‌ای، ادعایی که توسط یک نویسندهٔ تنها ارائه می‌شود، باید با احتیاط مورد بررسی قرار گیرد.

تحقیقات آینده به‌دنبال یافتن افزونگی‌های مشابه در پرتوهای گاما در مناطقی که ماده تاریک فراوان است خواهند گشت و همچنین به‌دنبال نشانهٔ این ذره در آزمایشات شتاب‌دهنده‌ها هستند. حتی اگر WIMPهای توتانی با جرمی معادل ۵۰۰ پروتون واقعی باشند، ممکن است تنها بخش کوچکی از ماده تاریک را تشکیل دهند؛ در این صورت، جستجو ادامه خواهد یافت.

این مطالعه در مجلهٔ کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات کیهانی منتشر شده است.