في الثلاثينيات من القرن الماضي، لاحظ عالم فلك سويسري يُدعى فريتز زويكي، أن المجرات الموجودة في عنقود بعيد كانت تدور حول بعضها البعض بشكل أسرع بكثير مما كان ينبغي إعطاؤه للكتلة المرئية. لقد اقترح أن مادة غير مرئية، والتي أطلق عليها اسم المادة المظلمة، قد تسبب الجاذبية على هذه المجرات.
أكد الباحثون أن المادة الغامضة يمكن العثور عليها في جميع أنحاء الكون، وأنها أكثر وفرة بست مرات من المادة العادية التي تتكون منها الأشياء العادية مثل النجوم والأشخاص. ومع ذلك، على الرغم من رؤية المادة المظلمة في جميع أنحاء الكون، لا يزال العلماء في الغالب يحكّون رؤوسهم فوقها. فيما يلي أكبر 11 سؤالاً بدون إجابة حول المادة المظلمة.
ما هي المادة المظلمة؟
أولاً، وربما الأكثر إثارة للحيرة، يظل الباحثون غير متأكدين بشأن ماهية المادة المظلمة بالضبط. في الأصل، توقع بعض العلماء أن الكتلة المفقودة في الكون تتكون من نجوم صغيرة باهتة وثقوب سوداء، على الرغم من أن الملاحظات التفصيلية لم تكشف عن مثل هذه الأجسام بما يكفي لتفسير تأثير المادة المظلمة، كما فعل الفيزيائي دون لينكولن من وزارة الخارجية الأمريكية. كتب فيرميلاب من Energy سابقاً لهذا الموقع. إن المنافس الرئيسي الحالي لغطاء المادة المظلمة، هو جسيم افتراضي يسمى جسيم ضخم متفاعل ضعيف، ويطلق عليه اختصاراً WIMP، والذي يتصرف نوعاً ما مثل النيوترون، باستثناء أنه سيكون أثقل ما بين 10 إلى 100 مرة من البروتون، كما كتب لينكولن. ومع ذلك، فإن هذا التخمين أدى فقط إلى المزيد من الأسئلة - على سبيل المثال...
هل يمكننا الكشف عن المادة المظلمة؟
إذا كانت المادة المظلمة مصنوعة من WIMPs، فيجب أن تكون في كل مكان حولنا وغير مرئية وبالكاد يمكن اكتشافها. فلماذا لم نعثر على أي منها بعد؟ على الرغم من أنها لن تتفاعل مع المادة العادية كثيراً، إلا أن هناك دائماً فرصة ضئيلة لأن يصطدم جسيم المادة المظلمة بجسيم عادي مثل البروتون أو الإلكترون أثناء انتقاله عبر الفضاء. لذلك، قام الباحثون ببناء تجربة بعد تجربة لدراسة أعداد هائلة من الجسيمات العادية في أعماق الأرض، حيث يتم حمايتها من الإشعاع المتداخل الذي يمكن أن يحاكي تصادم المادة المظلمة والجسيمات. ما المشكلة إذاً؟ بعد عقود من البحث، لم يحصل أي من هذه الكواشف على اكتشاف موثوق. في وقت سابق من هذا العام، أبلغت تجربة PandaX الصينية عن أحدث عدم للكشف عن WIMP. قال الفيزيائي هاي بو يو من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد لـ Live Science في ذلك الوقت، إنه من المحتمل أن تكون جسيمات المادة المظلمة أصغر بكثير من WIMPs، أو تفتقر إلى الخصائص التي تجعلها سهلة الدراسة.
هل تتكون المادة المظلمة من أكثر من جسيم؟
تتكون المادة العادية من جسيمات يومية مثل البروتونات والإلكترونات، بالإضافة إلى حديقة حيوانات كاملة من الجسيمات الأكثر غرابة مثل النيوترينوات والميونات والبيونات. لذلك، تساءل بعض الباحثين عما إذا كانت المادة المظلمة، التي تشكل 85% من المادة في الكون، قد تكون أيضاً معقدة بنفس القدر. قال الفيزيائي أندري كاتز من جامعة هارفارد لموقع ProfoundSpace.org، الموقع الشقيق لـ Live Science: لا يوجد سبب وجيه لافتراض أن كل المادة المظلمة في الكون تتكون من نوع واحد من الجسيمات. قال كاتز إن البروتونات المظلمة يمكن أن تتحد مع الإلكترونات المظلمة لتكوين ذرات مظلمة، مما ينتج عنه تكوينات متنوعة ومثيرة للاهتمام كتلك الموجودة في العالم المرئي. في حين تم تخيل مثل هذه المقترحات بشكل متزايد في مختبرات الفيزياء، فإن اكتشاف طريقة لتأكيدها أو نفيها قد استعصى على العلماء حتى الآن.
هل تملك المادة المظلمة قوى خاصة بها؟
إلى جانب الجسيمات الإضافية للمادة المظلمة، هناك احتمال أن تتعرض المادة المظلمة لقوى مماثلة لتلك التي تشعر بها المادة العادية. قام بعض الباحثين بالبحث عن "الفوتونات المظلمة"، والتي من شأنها أن تكون مثل الفوتونات المتبادلة بين الجسيمات العادية التي تؤدي إلى نشوء القوة الكهرومغناطيسية، إلا أنها ستشعر بها جسيمات المادة المظلمة فقط. يستعد الفيزيائيون في إيطاليا لتحطيم شعاع من الإلكترونات وجسيماتها المضادة، المعروفة باسم البوزيترونات، في الماس، كما ذكرت Live Science سابقاً. في حالة وجود الفوتونات المظلمة، يمكن لأزواج الإلكترون والبوزيترون أن تبيد بعضها وتنتج أحد الجسيمات الغريبة الحاملة للقوة، ما قد يؤدي إلى فتح قطاع جديد تماماً من الكون.
هل يمكن صنع المادة المظلمة من الأكسونات؟
مع تزايد حب الفيزيائيين للـ WIMPs، بدأت جسيمات المادة المظلمة الأخرى في اكتساب شهرة. أحد البدائل الرئيسية هو جسيم افتراضي يُعرف باسم الأكسون، والذي سيكون خفيفاً للغاية، ربما بمقدار 10 مرفوع إلى القوة 31 أقل كتلة من البروتون. يتم الآن البحث عن الأكسونات في تجارب قليلة. أثارت عمليات المحاكاة الحاسوبية الحديثة احتمال أن تشكل هذه المحاور أجساماً شبيهة بالنجوم، والتي قد تنتج إشعاعات قابلة للاكتشاف تشبه إلى حد بعيد الظواهر الغامضة المعروفة باسم الاندفاعات الراديوية السريعة، كما أفاد موقع Live Science سابقاً.
ما هي خواص المادة المظلمة؟
اكتشف علماء الفلك المادة المظلمة من خلال تفاعلات الجاذبية مع المادة العادية، ما يشير إلى أن هذه هي طريقتها الرئيسية لإعلان وجودها في الكون. ولكن عند محاولة فهم الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة، فإن الباحثين ليس لديهم الكثير ليعملوا عليه. وفقاً لبعض النظريات، يجب أن تكون جزيئات جسيمات المادة المظلمة مضادة، ما يعني أن جسيمي المادة المظلمة سوف يهلكان مع بعضهما البعض عندما يلتقيان. كانت تجربة مطياف ألفا المغناطيسي (AMS) في محطة الفضاء الدولية تبحث عن علامات منبهة لهذا الفناء منذ عام 2011 وقد اكتشفت بالفعل مئات الآلاف من الأحداث. لا يزال العلماء غير متأكدين ما إذا كانت هذه الأحداث سببها فناء جزيئات المادة المظلمة عند تصادمها. ولكن قد تساعدهم هذه الإشارات في تحديد ماهية المادة المظلمة بالضبط.
هل المادة المظلمة موجودة في كل مجرة؟
غالباً ما يقال إن المادة المظلمة هي القوة المسيطرة التي تنظم الهياكل الكبيرة مثل المجرات والعناقيد المجرية، لأنها تفوق بشكل كبير المادة العادية. لذلك، كان من الغريب عندما أعلن علماء الفلك أنهم عثروا على مجرة تسمى NGC 1052-DF2 يبدو أنها لا تحتوي على أي مادة مظلمة على الإطلاق. قال بيتر فان دوكوم من جامعة ييل لموقع ProfoundSpace.org في ذلك الوقت: من الواضح أن المادة المظلمة ليست شرطاً لتشكيل مجرة. ومع ذلك، خلال الصيف، نشر فريق منفصل تحليلاً يشير إلى أن فريق فان دوكوم قد أخطأ في قياس المسافة إلى المجرة، ما يعني أن المادة المرئية كانت أضعف بكثير وأخف من النتائج الأولى، وأن كتلتها كانت في المادة المظلمة أكثر مما كانت عليه.
هل يمكن أن تحتوي المادة المظلمة على شحنة كهربائية؟
قادت إشارة من بداية الزمن بعض الفيزيائيين إلى اقتراح أن المادة المظلمة قد تحتوي على شحنة كهربائية. تم إصدار إشعاع بطول موجي يبلغ 21 سم من النجوم في بداية الكون، بعد 180 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. ثم تم امتصاصه بواسطة الهيدروجين البارد الذي كان موجوداً في الوقت نفسه. عندما تم اكتشاف هذا الإشعاع في فبراير من هذا العام، أشار توقيعه إلى أن الهيدروجين كان أبرد بكثير مما توقع العلماء. افترض عالم الفيزياء الفلكية جوليان مونيوز من جامعة هارفارد أن المادة المظلمة بشحنة كهربائية، يمكن أن تسحب الحرارة بعيداً عن الهيدروجين المنتشر بالكامل، مثل مكعبات الثلج التي تطفو في عصير الليمون، كما أخبر Live Science في ذلك الوقت. لكن التخمين لم يتأكد بعد.
هل يمكن للجسيمات العادية أن تتحلل إلى مادة مظلمة؟
النيوترونات هي جسيمات مادة عادية ذات عمر محدود. بعد حوالي 14.5 دقيقة، يتحلل نيوترون وحيد غير مرتبط من ذرة إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. لكن اثنين من الإعدادات التجريبية المختلفة تعطي عمراً مختلفاً قليلاً لهذا الاضمحلال، مع وجود تناقض بينهما حوالي 9 ثوانٍ، وفقاً للتجارب المذكورة في دراسة في يوليو في مجلة Physical Review Letters اقترح علماء الفيزياء أنه إذا كانت بعض النيوترونات تتحلل إلى جسيمات مادة مظلمة بنسبة 1 في المائة من الوقت، فيمكن أن يفسر هذا الشذوذ وفرق الزمن. راقب كريستوفر موريس من مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو وفريقه النيوترونات بحثاً عن إشارة ما تؤدي إلى العثور على هذا التحول من النيوترون إلى المادة المظلمة، ولكنها لم تكن قادرة على اكتشاف أي شيء. وأشاروا إلى أن سيناريوهات الاضمحلال الأخرى قد تظل ممكنة وفقاً للدراسة.
وأخيراً نعود إلى نقطة البدء... هل المادة المظلمة موجودة بالفعل؟
نظراً للصعوبات التي واجهها العلماء في محاولة اكتشاف وشرح المادة المظلمة، قد يتساءل السائل العقلاني عما إذا كانوا يفعلون ذلك بشكل خاطئ. لسنوات عديدة، دفعت أقلية صاخبة من علماء الفيزياء بفكرة أنه ربما تكون نظرياتنا عن الجاذبية خاطئة ببساطة، وأن القوة الأساسية تعمل بشكل مختلف عما نتوقع على نطاقات كبيرة. غالباً ما تُعرف هذه الاقتراحات باسم "الديناميكيات النيوتونية المعدلة" أو نماذج MOND، وتفترض هذه الاقتراحات أنه لا توجد مادة مظلمة وأن السرعات فائقة السرعة التي تُرى فيها النجوم والمجرات تدور حول بعضها البعض، هي نتيجة لتصرف الجاذبية بطرق مدهشة. كتب الفيزيائي دون لينكولن في شرح لـ Live Science: لا تزال المادة المظلمة أنموذجاً غير مؤكد. ومع ذلك، فإن المنتقدين لم يقنعوا المجال الأكبر بأفكارهم. وماذا عن أحدث دليل؟ كما يشير إلى أن المادة المظلمة حقيقية.
----