آیا بالاخره «دیده‌ایم» ماده تاریک؟ هاله پرتوهای گاما کهکشانی ممکن است اولین شواهد مستقیم از «چسب» نامرئی کیهان باشد

آنچه زمانی توضیح اصلی برای ماده تاریک بود، ممکن است فقط جرم ذرات تشکیل‌دهنده آن را دست‌کم گرفته باشد.

هاله‌ای از پرتوهای گاما که توسط تلسکوپ فضایی فرمی شناسایی شده، با آنچه انتظار می‌رود اگر ذراتی با جرم حدود ۵۰۰ برابر پروتون در نزدیکی مرکز کهکشان راه شیری نابود شوند، همخوانی دارد. مطالعه جدیدی استدلال می‌کند که هیچ منبع شناخته‌شده‌ای برای این پرتوهای گاما وجود ندارد و توزیع آن‌ها با آنچه از نور کهکشانی انتظار می‌رود متفاوت است، نه از ماده تاریک.

در میان اشیاء نظری متعددی که برای توضیح ماده تاریک پیشنهاد شده‌اند، WIMPها (ذرات عظیم با تعامل ضعیف) مدت‌هاست که مورد علاقه هستند. این‌ها ذرات زیراتمی خواهند بود که میدان‌های گرانشی تولید می‌کنند و تحت تأثیر آن‌ها قرار می‌گیرند، اما نه الکترومغناطیس یا نیروهای هسته‌ای. به دلیل تعامل ضعیف‌شان، شناسایی آن‌ها دشوار است، اما برخوردهای بین WIMPها انتظار می‌رود که تحت شرایط خاصی هر دو را نابود کند و شبی از ذرات دیگر و انرژی الکترومغناطیسی آزاد سازد.

هرچند برخی کهکشان‌ها به نظر می‌رسد مازاد ماده تاریک نسبت به ستاره‌های‌شان داشته باشند، به طور کلی، توزیع ماده تاریک تقریباً با ماده‌ای که می‌توانیم ببینیم مطابقت دارد. در نتیجه، نزدیک‌ترین غلظت ماده تاریک در مرکز کهکشان است، بنابراین فیزیکدانان به دنبال تابش توضیح‌نداده‌شده‌ای در آنجا بوده‌اند که می‌تواند نشان‌دهنده نابودی WIMPها باشد. پروفسور تامونوری توتانی از دانشگاه توکیو معتقد است که آن را یافته‌اند.

«ما پرتوهای گاما با انرژی فوتون ۲۰ گیگ‌الکترون‌ولت (یا ۲۰ میلیارد الکترون‌ولت، مقدار بسیار عظیمی از انرژی) را در ساختاری هاله‌مانند به سمت مرکز کهکشان راه شیری شناسایی کردیم. مؤلفه تابش پرتو گاما به شدت با شکل مورد انتظار از هاله ماده تاریک همخوانی دارد»، توتانی در بیانیه‌ای گفت.

طیف گسترده‌ای از پدیده‌های شناخته‌شده نیز پرتوهای گاما تولید می‌کنند، اما توتانی ادعا می‌کند که مازادی از فوتون‌های ۲۰ گیگ‌الکترون‌ولت فراتر از آنچه این منابع می‌توانند توضیح دهند وجود دارد. «اگر این درست باشد، تا جایی که من می‌دانم، این اولین باری خواهد بود که بشریت ماده تاریک را «دیده» است. و معلوم می‌شود که ماده تاریک ذره جدیدی است که در مدل استاندارد فعلی فیزیک ذرات گنجانده نشده. این نشان‌دهنده پیشرفت عمده‌ای در نجوم و فیزیک است»، توتانی گفت.

توتانی ادعای یک اوج تیز در ۲۰ گیگ‌الکترون‌ولت نمی‌کند، بلکه پیشنهاد می‌دهد که این اوج دامنه وسیعی از انرژی‌ها برای پرتوهای گاما است که فراتر از آنچه منابع دیگر می‌توانند توضیح دهند.

مازاد قبلی پرتوهای گاما با انرژی پایین‌تر از مرکز کهکشان پیشنهاد شده بود که سیگنال ماده تاریک باشد، اما شواهد بعدی نشان داد که باید منبع ستاره‌ای داشته باشد، احتمالاً پالسارها. توتانی استدلال می‌کند که توزیع متفاوت مازاد ۲۰ گیگ‌الکترون‌ولت از آنچه قبلاً شناسایی شده، به معنای منابع متفاوت است و این احتمال را افزایش می‌دهد که ماده تاریک مسئول باشد.

در سال ۲۰۱۶، شناسایی پرتو گاما، که همچنین توسط تلسکوپ فرمی انجام شده بود، پیشنهاد شد که از نابودی ماده تاریک ناشی شود. با این حال، در حالی که منبع در آن مورد بزرگ است و در طول‌موج‌های دیگر تابش نمی‌کند، از نظر اندازه چیزی شبیه به مرکز کهکشان نیست.

هرچند تصور عمومی از علم در عصر نابغه منزوی گیر کرده، امروزه بیشتر علم در تیم‌های بزرگ انجام می‌شود. توتانی تا حدی استثنا است. دو سال پیش، او و فقط یک نویسنده دیگر، تکرار انفجارهای رادیویی سریع را به ستاره‌لرزه‌ها روی مگنتارها نسبت دادند و او ادعای جدیدش را به تنهایی منتشر کرده است.

شواهد وجود جرم فراتر از آنچه در ستاره‌ها و ماده معمولی دیگر می‌بینیم، تقریباً به یک قرن پیش بازمی‌گردد. در چنین محیطی، ادعای حل مشکل توسط یک نویسنده واحد نیاز به احتیاط دارد.

تحقیقات بیشتر به دنبال مازاد مشابه پرتوهای گاما در مکان‌هایی خواهد بود که ماده تاریک فراوان است، و همچنین به دنبال امضای ذره در آزمایش‌های برخورددهنده. حتی اگر WIMPهای با جرم ۵۰۰ پروتون توتانی واقعی از آب درآیند، ممکن است فقط بخشی از ماده تاریک را توضیح دهند، و در این صورت جستجو ادامه خواهد یافت.

مطالعه در مجله کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات اخترشناسی منتشر شده است.