تلسکوپ فضایی جیمز وب چگونه ماده تاریک سرد را آنالیز خواهد نمود؟ - وبلاگ تپلینک

به گزارش وبلاگ تپلینک، قدرتمندترین چشم بشر در فضا، تلسکوپ فضایی جیمز وب کم کم وارد چرخه نخست رصدهای علمی می گردد و قرار است رازهایی را از دورترین و ناپیداترین نقاط کیهان آشکار کند؛ رازهایی مانند مسئله دیرپای ماده تاریک.

در کریسمس سال 2021 (4 دی 1400) یک موشک آریان 5 از کورو در گویان فرانسه به فضا پرتاب شد. این پرتابگر بزرگ ترین و پیچیده ترین تلسکوپ فضایی ساخته شده را با خود حمل کرد: تلسکوپ فضایی جیمز وب (James Webb Space Telescope).

از آن موقع، تلسکوپ وب به مدار خود در حدود 1.5 میلیون کیلومتری از زمین رسیده است، آفتابگیر بزرگ خود را که به میزان زمین تنیس است، باز نموده و 18 بخش آینه اصلی خود را هم تراز نموده است و هم اکنون تنها یک گام بسیار حساس دیگر تا هم ترازی نهایی پیش رو دارد و انتظار می رود که ثبت نخستین تصاویر علمی را تا تابستان شروع کند.

در طول دهه آینده، جیمز وب مشاهدات پیشرفته ای را انجام خواهد داد و به دانشمندان یاری خواهد نمود تا به پرسش هایی مهم در نجوم پاسخ دهند؛ ازجمله پرسش هایی درباره ماهیت ماده تاریک.

داغ، گرم یا سرد

ماده تاریک (Dark Matter) یک ماده مرموز است که دانشمندان معتقدند 85 درصد از ماده دنیا را تشکیل می دهد اما تا کنون مستقیما مشاهده نشده است. دانشمندان می توانند حضور ماده تاریک را تنها با مشاهده اثرات گرانشی آن روی ماده معمولی درک نمایند.

نظریه های گوناگون، انواع مختلفی از ذرات ماده تاریک را مطرح می نمایند. ماده های تاریکی که داغ یا گرم درنظر گرفته می شوند، چنان سریع در دنیا اولیه حرکت می کردند که گرانش نمی توانست آن ها را محدود کند. از سوی دیگر، تصور می گردد که کاندیداهای ماده تاریک سرد، چنان آهسته حرکت نموده اند که گرانش آن ها را به ساختارهای کوچک ماده تاریک تبدیل نموده است که در نهایت در ساختارهای بزرگ تر و توده ای ادغام می شوند.

متیو واکر (Matthew Walker) دانشیار فیزیک دانشگاه کارنگی ملون گفت: شبیه سازی های رایانه ای، چندین دهه شیوه شکل گیری و رشد این ساختارها را تحت فرضیه ماده تاریک سرد آزمایش نموده اند.

شبیه سازی های ماده تاریک سرد نشان می دهند که ماده تاریک به شکل حباب های کوچکی به سوی هم می آید و پس از روبه رو شدن با حباب های دیگر، با هم ادغام می شوند و تا زمانی که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان راه شیری شکل می گیرند، پیوسته در حال تجمع اطراف یکدیگر هستند. این حباب های گرانشی ماده تاریک با نام هاله (Halo) شناخته می گردد.

جیمز وب می تواند هاله را ببیند

آنا نیرنبرگ (Anna Nierenberg) استادیار فیزیک دانشگاه کالیفرنیا مرسد، در طول چرخه نخست جیمز وب 39 ساعت فرصت رصدی برای جست وجوی هاله های کوچک ماده تاریک دریافت نموده است.

بسیاری از مدل ها، ازجمله مدل پایه ماده تاریک، وجود هاله های کوچک تا جرم 10 به توان 7 (107) برابر خورشید را پیش بینی می نمایند که در حقیقت دارای کهکشان نیستند. نیرنبرگ می گوید که چنین هاله ای فقط لکه ای از ماده تاریک است که هیچ ستاره ای درون آن نیست.

اما اگر هیچ ستاره ای در این حباب های مواد نامرئی وجود نداشته باشد، چگونه می توانیم حتی سعی کنیم که آن ها را شناسایی کنیم؟ برای این منظور نیرنبرگ و تیم او متشکل از نزدیک به 20 دانشمند در آمریکا، کانادا، بریتانیا، سوئیس، اسپانیا، بلژیک و شیلی از پدیده ای به نام عدسی گرانشی استفاده می نمایند.

عدسی یا لنز گرانشی (Gravitational Lensing) که برگرفته از نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین (Albert Einstein) است، بیان می نماید که ماده، فضا-زمان و در نتیجه هر نوری که با آن برخورد می نماید را خم می نماید. اگر نور از یک منبع دوردست در کیهان به سوی زمین حرکت کند و از کنار یک جرم بزرگ، مانند حباب ماده تاریک بگذرد، نور در اطراف آن خم می گردد و اگر این جرم میانی به میزان کافی پرجرم باشد، نور به گونه ای منحرف می گردد که گاهی تا چهار تصویر از یک منبع نوری یکسان در اطراف جرم عدسی شده ظاهر می گردد.

گروه نیرنبرگ تعداد هاله های کوچک ماده تاریک را با مشاهده یک نمونه از اختروش ها (هسته های بسیار فعال و بسیار پرجرم کهکشان های اولیه در فواصل کیهانی که به وسیله قرص های برافزایشی گردوغبار دربر گرفته شده اند) که تحت عدسی گرانشی قرار گرفته اند، میزان گیری خواهند کرد. تشخیص این هاله های کوچک یک پیروزی برای نظریه ماده تاریک سرد خواهد بود و از سوی دیگر شناسایی نکردن آن ها به این معنی است که ماده تاریک سرد وجود ندارد.

چون نور حاصل از این اختروش ها باید مسافت زیادی را در یک دنیا در حال انبساط طی کند، در طول جهت کشیده می گردد و طول موج آن به محدوده طیف فروسرخ متمایل می شوند. طول موج های فروسرخ میانی که مشاهده آن ها با تلسکوپ های زمینی تقریبا غیرممکن است. نیرنبرگ تأکید کرد: ما با قرمزترین باندهای فرکانسی که جیمز وب می تواند پشتیبانی کند، رصد خواهیم کرد.

این طول موج ها به وسیله تلسکوپ فضایی هابل که عدسی های گرانشی را در طول موج های مرئی مطالعه می نماید، قابل مشاهده نیستند و تلسکوپ های فضایی قدیمی تر هم که می توانند در طیف فروسرخ میانی ببینند، توان تفکیک عدسی های گوناگون را ندارند. اما به گفته نیرنبرگ انجام این مشاهدات در طیف فروسرخ میانی، به توان تفکیک فضای بالایی احتیاج دارد که فقط جیمز وب می تواند ارائه دهد.

در این زمینه دنیل گیلمن (Daniel Gilman) پژوهشگر پسادکترای دانشگاه تورنتو و یکی از محققان این تیم هم گفت: نوع داده هایی که می توانیم با استفاده از JWST به دست آوریم منحصربه فردتر و بسیار قدرتمندتر یا دقیق تر از نوع داده هایی است که می توانیم به وسیله هابل یا تلسکوپ های زمینی کسب کنیم.

و شاید همان طور که نیرنبرگ اشاره نمود این یک گام علمی بزرگ رو به جلو خواهد بود.

نگاه به منظومه های گسترده و دوردست

واکر پروژه ماده تاریک دیگری را هم در چرخه علمی نخست جیمز وب سرپرستی می نماید اما گروه او در این زمینه برای زمان رصدی درخواستی نداد زیرا آن ها از داده هایی استفاده خواهند کرد که جیمز وب برای برنامه های دیگر جمع آوری می نماید.

تحقیقات گروه واکر با استفاده از داده های آرشیوی، در جست وجوی درون کهکشان های کوتوله است تا ستارگان دوتایی گسترده را بیابد؛ منظومه هایی متشکل از دو ستاره که در فواصل نسبتا زیادی، در مقیاس 1 پارسک، که کمی کمتر از فاصله میان خورشید و نزدیک ترین همسایه ما پروکسیما قنطورس است، دور یکدیگر می چرخند.

واکر کفت: چون ستارگان دوتایی گسترده از هم دورند، سیستم های بسیار شنماینده ای هستند. اگر مثلا هاله ای کوچک از ماده تاریک، از کنار یک منظومه دوتایی گسترده عبور کند، می تواند با هر یک یا هر دو ستاره در آن منظومه تبادل انرژی کند و فقط بخشی از کسری از یک درصد افزایش در انرژی هر یک از ستاره ها ضروری است تا این جفت از هم جدا شوند.

او اضافه نمود: بنابراین اگر تیم واکر ستاره های دوتایی گسترده را بیابد، می توانیم به طور منطقی مطمئن باشیم که آن هاله های ماده تاریک سرد زیرکهکشانی وجود ندارند. و این اساسا یک مشکل واقعی برای مدل ماده تاریک سرد خواهد بود.

این اما همان چیزی است که کاترین لی (Katharine Lee) یکی از فارغ التحصیلان ارشد فیزیک در مؤسسه علوم کارنگی ملون در گروه واکر درباره این پروژه می پسندد. من به ویژه فکر می کنم که این تحقیق واقعا جالب است زیرا چارچوب فعلی برای آنچه ما به عنوان ساختار ماده تاریک درنظر می گیریم، مدل ماده تاریک سرد است و تحقیقاتی که پروفسور واکر انجام می دهد به طور بالقوه می تواند آن را باطل کند.

از سوی دیگر اگر این گروه ستارگان دوتایی گسترده ای پیدا ننمایند، می تواند نشانه ای از نابودی سیستم آن ها به وسیله ماده تاریک باشد. اما همچنان ثابت نمی نماید که آن ها نابود شده اند، زیرا ممکن است در وهله نخست هرگز در این کهکشان های کوتوله شکل نگرفته باشند.

به گفته واکر جیمز وب به علت حساسیت فوق العاده بالا نسبت به اجرام کم نور و بعلاوه توانایی هایی که برای گرفتن تصاویر باکیفیت بالا و تشخیص جفت منبع با تفکیک های بسیار اندک دارد، ابزاری ایدئال برای این کاوش محسوب می گردد و به لطف آینه اصلی با قطر 6.5 متر، دورتر از هر تلسکوپ دیگری که تا کنون ساخته شده است را خواهد دید.

خورخه پناروبیا (Jorge Peñarrubia) استاد دانشگاه ادینبورگ و یکی از پژوهشگران این تیم هم گفت: من فکر می کنم که جیمز وب زاویه ای تازه و واقعا قدرتمند به ما می دهد. اما حتی اگر شکست بخورد، ما راه های دیگری پیدا خواهیم کرد.

در واقع، بسیاری از تکنیک های دیگر وجود دارند که دانشمندان از آن ها برای جست وجوی ماده تاریک استفاده می نمایند، ازجمله جست وجوهای مستقیم به وسیله آزمایش های فیزیک. و هم اکنون نیرنبرگ و واکر درحالی که منتظرند تا جیمز وب چشمانش را باز کند، هر دو از عدسی گرانشی و روش های دوتایی گسترده روی داده های تلسکوپ فضایی هابل استفاده می نمایند.

برنامه های علمی آینده جیمز وب ممکن است اسرار بیشتری از ماده تاریک را آنالیز نمایند، چه به وسیله عدسی گرانشی یا شاید با مشاهده آمار تکامل کهکشان ها که دانشمندان در ادامه می توانند آن را با نظریه های ماده تاریک مقایسه نمایند.

گیلمن گفت: ما در تعداد تئوری ها درباره ماهیت ماده تاریک کمبودی نداریم. اما چیزی که در آن با نقص مواجهیم، رصدهایی است که امکان آنالیز جزئی این نظریه ها را داشته باشند و این همان چیزی است که قرار است جیمز وب برای ما به ارمغان بیاورد.

عکس کاور: طرحی گرافیکی از پیچیدگی های کیهانی

Credit: Sandbox Studio, Chicago with Olena Shmahalo

منبع: Symmetry