یک پژوهش نشان می‌دهد: ماده تاریک از گرانش سرپیچی نمی‌کند
آیا ماده تاریک از همان قوانین فیزیکی ماده‌ی معمولی پیروی می‌کند؟ معمای این جزء نامرئی و فرضی جهان ما که نه نوری از خود گسیل می‌کند و نه آن را بازتاب می‌دهد، همچنان لاینحل باقی مانده است. اکنون، تیمی با مشارکت اعضایی از دانشگاه ژنو (UNIGE) در تلاش است تا مشخص کند آیا این ماده در مقیاس کیهانی مانند ماده معمولی رفتار می‌کند یا نیروهای دیگری بر آن حاکم است.
یافته‌های این تیم که در مجله Nature Communications منتشر شده است، حاکی از رفتاری مشابه است، اما همزمان احتمال وجود یک برهم‌کنشِ تاکنون ناشناخته را نیز رد نمی‌کند. این دستاورد مهم، نوری تازه بر ویژگی‌های این ماده‌ی گریزان می‌تاباند که فراوانی آن پنج برابر بیشتر از ماده معمولی است.
ماده معمولی از چهار نیروی کاملاً شناخته‌شده پیروی می‌کند: گرانش، الکترومغناطیس، و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف در سطح اتمی. اما ماده تاریک چطور؟ این ماده نامرئی و گریزان ممکن است تحت حاکمیت همین قوانین باشد یا نیروی پنجمی، که هنوز ناشناخته است، بر آن حکم‌فرما باشد.
برای رازگشایی از این معما، تیمی به رهبری دانشگاه ژنو در پی آن است تا مشخص کند آیا ماده تاریک در مقیاس کیهانی، به همان شیوه‌ی ماده‌ی معمولی به درون «چاه‌های گرانشی» سقوط می‌کند یا خیر. فضای جهان ما تحت تأثیر اجرام آسمانی بسیار پرجرم دچار خمیدگی شده و این چاه‌ها را ایجاد می‌کند. ماده معمولی—یعنی سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها—بر اساس قوانین فیزیکی تثبیت‌شده، از جمله نظریه نسبیت عام اینشتین و معادلات اویلر، به درون این چاه‌ها می‌افتد. اما سرنوشت ماده تاریک چیست؟
کامیل بونوین، دانشیار دپارتمان فیزیک نظری در دانشکده علوم دانشگاه ژنو و از نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد: «برای پاسخ به این پرسش، ما سرعت کهکشان‌ها را در سراسر کیهان با عمق چاه‌های گرانشی مقایسه کردیم.»
«اگر ماده تاریک تحت تأثیر نیروی پنجمی نباشد، آنگاه کهکشان‌ها—که عمدتاً از ماده تاریک تشکیل شده‌اند—باید همانند ماده معمولی، تنها تحت حاکمیت گرانش به درون این چاه‌ها سقوط کنند. از سوی دیگر، اگر نیروی پنجمی بر ماده تاریک اثر بگذارد، این نیرو بر حرکت کهکشان‌ها تأثیر خواهد گذاشت و در نتیجه، آن‌ها به شیوه‌ای متفاوت به درون چاه‌ها سقوط خواهند کرد. بنابراین، با مقایسه عمق چاه‌ها با سرعت کهکشان‌ها، می‌توانیم وجود چنین نیرویی را بیازماییم.»
معادلات اویلر همچنان معتبرند
تیم پژوهشی با به‌کارگیری این رویکرد بر روی داده‌های کیهان‌شناسی فعلی، نتیجه گرفت که ماده تاریک همانند ماده معمولی به درون چاه‌های گرانشی سقوط می‌کند و از این رو، از معادلات اویلر پیروی می‌کند.
ناستاسیا گریم، نویسنده اول این مطالعه و پژوهشگر سابق فوق دکترا در دپارتمان فیزیک نظری دانشگاه ژنو که به‌تازگی به مؤسسه کیهان‌شناسی و گرانش در دانشگاه پورتسموث پیوسته است، می‌گوید: «با این حال، در این مرحله، این نتایج هنوز وجود یک نیروی ناشناخته را رد نمی‌کنند. اما اگر چنین نیروی پنجمی وجود داشته باشد، قدرت آن نمی‌تواند از ۷ درصد نیروی گرانش بیشتر باشد—در غیر این صورت، تاکنون باید در تحلیل‌های ما آشکار می‌شد.»
این نتایج اولیه، گامی بزرگ در جهت شناخت ویژگی‌های ماده تاریک به شمار می‌رود. چالش بعدی، تعیین این موضوع خواهد بود که آیا نیروی پنجمی بر آن حاکم است یا خیر.
ایزاک توتوسائوس، پژوهشگر در ICE-CSIC و IEEC و دانشیار در IRAP در رصدخانه میدی-پیرنه دانشگاه تولوز و از دیگر نویسندگان این مطالعه، نتیجه‌گیری می‌کند: «داده‌های آتی از جدیدترین آزمایش‌ها، مانند LSST و DESI، به نیروهایی با شدتی در حد ۲ درصد نیروی گرانش حساس خواهند بود. بنابراین، این داده‌ها باید به ما امکان دهند تا درباره رفتار ماده تاریک اطلاعات بیشتری کسب کنیم.»
اطلاعات بیشتر: Nastassia Grimm et al, Comparing the motion of dark matter and standard model particles on cosmological scales, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65100-8
اطلاعات نشریه: Nature Communications
ارائه‌شده توسط دانشگاه ژنو