7 دقیقه
مقدمه: رمزگشایی از معمای ماده تاریک و فرضیاتی غیرمنتظره
ماده تاریک همچنان یکی از اسرارآمیزترین چالش‌ها در کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات محسوب میشود. بررسی سرعت گردش کهکشان‌ها، همگرایی گرانشی، و ساختار بزرگ مقیاس جهان، همگی به وجود ماده سرکوب‌کننده‌ای اشاره دارند که نه نور را منتشر میکند و نه جذب و بازتاب می‌دهد. با این که دهه‌ها تلاش برای آشکارسازی مستقیم و جستجو در برخورددهنده‌ها فاقد نتیجه‌ای برای گزینه‌های متعارف بوده، دانشمندان را به سوی فرضیه‌هایی عجیب‌تر سوق داده است؛ از جمله پندار شکل‌گیری ماده تاریک در قلمرو «آینه تاریک» یا تولید پیوسته آن در مرزهای کیهان، یعنی افق کیهانی.
در مقالات اخیر چاپ‌شده در Physical Review D، استفانو پروفومو، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، دو سناریوی متمایل اما دارای پشتوانه فیزیکی را برای منشأ ماده تاریک بررسی کرده است. هر دو ایده در پی ایجاد سازگاری میان شواهد اخترفیزیکی و نبود سیگنال در آشکارسازهای متعارف هستند و می‌کوشند نشانههای قابل مشاهده‌ای همچون موجهای گرانشی یا ردپاهای کیهان‌شناختی شناسایی کرده و مدلها را با آن‌ها اعتبارسنجی کنند.
جهان آینهای تاریک: باریونها، کوارکها و سیاهچالههای تاریک
یکی از این نظریهها، بخش تاریک را به شکلی نزدیک به یک تصویر آینهای از عالم مرئی می‌بیند. بر اساس دینامیک کوانتومی رنگ (QCD) که نحوه همبستگی کوارکها و گلئون‌ها در قالب نیروی قوی برای شکل‌دهی پروتون و نوترون‌ها را توضیح می‌دهد، پروفومو، QCD تاریک مشابهی را پیشنهاد کرده است. در این چارچوب، کوارکها و گلئون‌های تاریک، تحت تأثیر نیروی قوی تاریک، به تشکیل باریون‌های تاریک (همتای آینهای پروتون/نوترون) می‌انجامند.
در صورتی که باریون‌های تاریک در عالم نخستین وجود داشته‌اند، مناطق متراکم از آن‌ها می‌توانستند بر اثر نیروی گرانش به اجرامی فشرده فروبریزند. برخلاف فرآیندهای متعارف چگالی ماده عادی، ابرهای باریونی تاریک می‌توانسته‌اند جمعیت سیاهچالههای ریز یا حتی در مقیاس نانو (یا اجرامی که رفتارشان بسیار شبیه سیاهچاله‌هاست) را پدید آورند. اگر تعداد این سیاهچالههای تاریک کافی باشد، می‌توانند دانسیته ماده تاریک را توجیه کرده و به طور عمده بر ساختار کیهانی تاثیرگذار باشند.
پروفومو اذعان میکند که سناریوهای پیشین سیاهچالههای اولیه غالباً ارتعاشات چگالی تقویت یافته‌ای را در ماده مرئی فرض می‌کردند؛ اما ایده جهان آینهای، منشأ را به قلمروی غیرتعاملی و جداگانه تاریک منتقل میکند. به ویژه، همجوشی اجرام متراکم تاریک قادر است موجهای گرانشی تولید کند و اگر این همجوشی‌ها حتی با ضعیف‌ترین اثر بر آشکارسازهایی نظیر LIGO، Virgo یا رصدخانه‌های آینده داشته باشند، می‌توانند پس‌زمینه‌ای تصادفی یا رویدادهای جداشونده با توزیع جرمی متفاوت پدید آورند.
تولید در افق کیهان: تابش از لبه جهان
در سناریوی دوم، پروفومو تصور میکند که ماده تاریک از افق کیهانی در دوران و پس از دوران تورمی جهان به وجود می‌آید. طبق مدل تورم کیهانی، در نخستین لحظات عمر عالم، انبساط نمایی شدیدی رخ داده است و این انبساط، افقی کارآمد مانند افق رویداد سیاهچاله ایجاد میکند: نوسانات کوانتومی نزدیک این مرز می‌توانند کشیده شده و به ذرات واقعی بدل شوند.
با الهام از تابش هاوکینگ (فرآیند نیمه‌کلاسیکی که در آن جفت ذره-پادذره نزدیک افق سیاهچاله باعث تابش میشود)، پروفومو پیشنهاد می‌دهد که ذرات بخش تاریک می‌توانستند در مرز کیهان طی دوران تورم یا بازگرمایش تولید گردند. چون انبساط کیهانی (در مقیاس گسترده) تا امروز هم ادامه دارد، یک فرآیند ملایم و دائمی تولید ذرات از افق، شاید بتواند به مرور ماده تاریک بیشتری را فراهم کند.
این سازوکار به جمعیتی غیرترمال از ذرات تاریک منتهی میشود که توزیع‌های تکانه‌ای و مکانی متفاوتی نسبت به مدل‌های «انجماد ترمال» یا «فریز-این» دارند. چنین تمایزهایی ممکن است سبب آثار قابل سنجش در تابش زمینه کیهانی (CMB)، ساختار بزرگ‌مقیاس یا زیرساختارهای هاله‌های کهکشانی باشد.
چشم‌انداز کشف، آزمون‌های رصدی و فن‌آوری‌ها
اگرچه این دو فرضیه هنوز شواهد مستند نیافته‌اند و در حیطه گمانه‌زنی قرار دارند، اما هرکدام به پیش‌بینی‌هایی مشخص و قابل آزمون منتهی می‌شوند:
موجهای گرانشی
همجوشی اجرام متراکم تاریک میتواند علائمی در امواج گرانشی برجای بگذارد. رصدخانه‌های LIGO، Virgo، KAGRA و آشکارسازهای آینده همچون LISA و تلسکوپ اینشتین، قادر خواهند بود به دنبال نرخ‌های همجوشی غیرعادی، توزیع جرمی نامعمول (از جمله رویدادهای با جرم کمتر از خورشید) یا پس‌زمینه‌ای ناسازگار با سیاهچالههای اخترفیزیکی بگردند.
میکروعدسی گرانشی و اثرات دینامیکی
اجرام متراکم تاریک به عنوان عدسی‌های گرانشی، پدیده میکروعدسی‌هایی خلق می‌کنند که متفاوت از رویدادهای ناشی از جمعیت‌های ستارهای عادی است. رصدهایی مثل OGLE، Gaia و ابزارهای عریض آینده، می‌توانند ماده تاریک متراکم را با آمار و امضاهای زمانی میکروعدسی محدود یا آشکار کنند.
کاوش‌های کیهان‌شناختی
تولید غیرترمال در افق کیهان و برهم‌کنش‌های بخش تاریک ممکن است طیف توانی CMB، طیف ماده یا ساختارهای کوچک‌مقیاس را تغییر دهد. کیهان‌شناسی دقیق از طریق داده‌های Planck، DESI، Euclid و CMB-S4 میتواند این آثار را بیازماید و پارامترهای مدل را محدود کند.
فیزیک ذرات و جستجوهای غیرمستقیم
اگر بخش تاریک برهم‌کنش‌هایی ضعیف با مدل استاندارد داشته باشد، کانال‌های واپاشی نادر یا اتصال‌هایی مانند فوتون تاریک یا پرتگاه نوترینویی میتواند سیگنال‌هایی در آزمایشهای حساس خلق کند؛ گرچه در بسیاری از مدلها این کوپلاژها از اساس بسیار ضعیف هستند.
پیامدها و جایگاه علمی
این فرضیات، چشم‌انداز مدل‌های ماده تاریک را از ویمپ‌ها و اکسیون‌ها فراتر برده و حوزه‌های پیچیده‌ای با نیروها و حالت‌های ترکیبی خاص خود را مطرح می‌کنند. آن‌ها با بهره‌گیری از چارچوب‌های نظری استوار همچون دینامیک کوانتومی رنگ، کیهان‌شناسی تورمی و ترمودینامیک افق، سازوکارهایی فیزیکی و نه صرفاً فرضی ارائه داده‌اند. به گفته پروفومو در Physical Review D: «ماهیت ماده تاریک یکی از چالش‌های پررمزوراز کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات مدرن است... تلاش برای کشف ماهیت بنیادی ماده تاریک و بخش تاریکی که در آن قرار دارد همچنان ادامه دارد.» او در مقاله‌ای دیگر خاطرنشان میکند: «سازوکار اصلی تولید ماده تاریک کیهان‌شناختی هنوز پرسشی باز و موضوع بررسی جدی و مستمر است.»
در صورتی که هر یک از این ایده‌ها تأیید شود، درک ما را از تاریخ کیهان، پیدایش اجرام فشرده و ارتباط بخش‌های مرئی و نامرئی جهان متحول خواهد ساخت. این موضوع همچنین رصدهای هدفمند در حوزه‌های موج گرانشی، کیهان‌شناسی دقیق، میکروعدسی و جستجوهای نوین ذرات را برخواهد انگیخت.
جمع‌بندی
نظریه‌های «جهان آینهای تاریک» و «تولید در افق کیهان» پرتو تازه‌ای بر معمای نابینایی ماده تاریک و سازوکار پدیدآمدنش می‌اندازند. هر دو مفروض با تکیه بر قیاس‌های فیزیکی شناختهشده مانند QCD و ترمودینامیک افق، پیش‌بینی امضاهای متفاوت و سنجش‌پذیری را ارائه می‌دهند؛ از امواج گرانشی ناشی از همجوشی اجرام تاریک تا نشانههای میکروعدسی و آثار غیرترمال بر ساختار کیهان. اگرچه این دیدگاه‌ها هنوز فرضیه‌اند، اما با ابزارهای امروزی یا نزدیک به آینده قابل ابطالند. تلاش مشترک حوزه‌های کیهان‌شناسی رصدی، آشکارسازی موج گرانشی و فیزیک ذرات برای تعیین اینکه آیا پاسخ معمای ماده تاریک در گوشه تاریک یک عالم موازی یا در مرزهای همین جهان پنهان است، موثر و ضروری خواهد بود.
منبع: journals.aps
.avif)
نظرات