ردپای گفت وگوی پنهان ماده تاریک و نوترینوها در تاریخ کیهان

اگر دو بازیگر نامرئی در نمایش کیهانی، از همان آغاز با یکدیگر نجوا کرده باشند چه؟ پژوهشگران دانشگاه شفیلد اکنون نشانه‌هایی گزارش کرده‌اند که نشان می‌دهد ماده تاریک و نوترینوها، دو جزء گریزان و کم‌تعامل کیهان، شاید آن‌قدرها هم که کتاب‌های درسی فرض می‌کنند از هم جدا نباشند. این یافته که در نشریه نیچر آسترونومی منتشر شده، دریچه‌ای تازه به سوی فیزیک نوین می‌گشاید.

ماده تاریک را مانند داربست پنهان جهان تصور کنید: نامرئی، پرجرم و عاملی که کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد. این ماده حدود ۸۵ درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد، اما همچنان از آشکار شدن در آشکارسازهای آزمایشگاهی سر باز می‌زند. نوترینوها خویشاوندان زیرک آن هستند، ذراتی تقریبا بی‌جرم که هر ثانیه با شمار تریلیونی از سیاره‌ها و بدن انسان‌ها عبور می‌کنند و به‌ندرت اثری از برهم‌کنش بر جا می‌گذارند.

برای دهه‌ها، چارچوب استاندارد کیهان‌شناسی این دو را بازیگرانی مستقل در نظر می‌گرفت. اما تیم شفیلد مسیر متفاوتی را انتخاب کرد: مقایسه اینکه جهان اندکی پس از مهبانگ چگونه به نظر می‌رسید با اینکه امروز چه چهره‌ای دارد. چرا؟ چون اگر نوترینوها و ماده تاریک حتی به شکلی بسیار ضعیف با هم برهم‌کنش داشته باشند، این ارتباط باید اثر انگشت خود را بر روند شکل‌گیری ساختارها در طول زمان کیهانی باقی گذاشته باشد.

پژوهشگران داده‌های تابش زمینه کیهانی را کنار هم قرار دادند، از جمله نقشه‌های دقیق تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما و مأموریت پلانک آژانس فضایی اروپا، و آن‌ها را با پیمایش‌های مربوط به دوره‌های متأخرتر جهان ترکیب کردند؛ پیمایش‌هایی که کهکشان‌ها را در پهنه آسمان ترسیم می‌کنند، از جمله رصدهای دوربین انرژی تاریک و پیمایش دیجیتال آسمان اسلون. وقتی این تصویرهای اولیه و دیرهنگام از جهان در کنار هم خوانده شدند، ناسازگاری کوچک اما پایداری آشکار شد: میزان توده‌ای بودن ماده در جهان امروز با شدتی که انتظار می‌رفت رشد کرده باشد، کاملا همخوان نبود.

به زبان ساده، اندازه‌گیری‌های جهان آغازین نشان می‌دهد ساختارهای کیهانی باید کمی بیش از آنچه نقشه‌های امروزی کهکشان‌ها نشان می‌دهند رشد کرده باشند. این یک بحران نیست، اما نشانه‌ای قابل توجه است. تحلیل دانشگاه شفیلد نشان می‌دهد برهم‌کنش میان ماده تاریک و نوترینوها می‌تواند این تنش را کاهش دهد و سرعت خوشه‌بندی ماده را تغییر دهد، بی‌آنکه تصویر کلی کیهان‌شناسی را از هم بپاشد.

اگر ماده تاریک با نوترینوها ارتباط داشته باشد، مسیر جست‌وجوی هر دو را دگرگون می‌کند؛ فیزیک‌دانان ذرات را به سوی ویژگی‌های مشخصی برای آزمودن در آزمایشگاه هدایت می‌کند و به کیهان‌شناسان اهرمی تازه برای توضیح شکل‌گیری ساختارهای کیهانی می‌دهد.

آزمون این ایده به ابزارهای دقیق‌تر سپرده خواهد شد. آزمایش‌های آینده تابش زمینه کیهانی، پیمایش‌های عمیق‌تر کهکشانی و نقشه‌های همگرایی گرانشی ضعیف، یعنی روش‌هایی که تاب‌خوردگی‌های بسیار ریز نورهای دوردست را برای آشکار کردن جرم پنهان شناسایی می‌کنند، یا این فرضیه را تقویت خواهند کرد یا نظریه‌پردازان را دوباره به نقطه شروع بازمی‌گردانند. اگر این نتیجه تأیید شود، پیامد آن ساده و عمیق است: برهم‌کنشی که رشته‌های نامرئی کیهان را به هم پیوند می‌دهد و راهی روشن‌تر برای شناخت ماهیت ماده تاریک پیش پای ما می‌گذارد.

فعلا جهان سرنخی در اختیار ما گذاشته است. آیا نسل بعدی تلسکوپ‌ها و آشکارسازهای ما آماده خواندن آن خواهد بود؟