10 دقیقه
گوش‌سپاری به عصر تاریک کیهان
با گوش دادن به پژواک‌های رادیویی شبح‌وار از دوران‌های آغازین کیهان، دانشمندان بر این باورند که مأموریت‌های آینده به ماه می‌توانند تعیین کنند که ماده تاریک در واقع چیست. این سیگنال‌های ضعیف از عصر تاریک کیهانی ممکن است به‌زودی یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک را حل کنند.
دوران نخستین پس از بازترکیب—که اغلب به آن عصر تاریک کیهانی می‌گویند—پیش از شکل‌گیری اولین ستارگان و کهکشان‌ها رخ می‌داد. در آن دوران، هیدروژن خنثی سراسر کیهان را پر کرده بود و یک امضای رادیویی ضعیف در طول‌موج 21 سانتیمتری تولید می‌کرد. یک گروه بین‌المللی از پژوهشگران شبیه‌سازی کرده‌اند که چگونه نوسانات کوچک چگالی و دما در آن هیدروژن بدوی، اثری ظریف بر سیگنال 21‑cm می‌گذارد که حساسیت زیادی به خواص ماده تاریک دارد. نتایج آن‌ها که در Nature Astronomy در 16 سپتامبر 2025 منتشر شد، نشان میدهد رصدخانه‌های رادیویی قرار گرفته در نیمرخ دورِ ماه می‌توانند تفاوت بین مدل‌های رقیب ماده تاریک را آشکار سازند.
پیش‌زمینهٔ علمی: ماده تاریک و کاوش 21‑cm
ماده‌ی معمولی یا باریونی—اتم‌هایی که ستارگان، سیارات و موجودات زنده را می‌سازند—تنها حدود 20 درصد از محتوای مادهٔ کیهان را تشکیل میدهد. تقریباً 80 درصد باقی‌مانده را ماده تاریک میسازد: یک جز غیرتابان که وجودش از تأثیرات گرانشی آن بر کهکشان‌ها، خوشه‌ها و گسترش ساختار در مقیاس بزرگ استنباط میشود. ماده تاریک به‌صورت شناخته‌شده نور منتشر یا پراکنده نمی‌کند، بنابراین تعیین جرم ذرهای و خواص برهم‌کنشی آن یکی از اهداف مرکزی کیهان‌شناسی مدرن است.
یک دسته‌بندی مهم، تفاوت بین ماده تاریک سرد (CDM) و ماده تاریک گرم (WDM) است. ذرات ماده تاریک سرد نسبتاً سنگین و آهسته‌‌حرکت‌اند که اجازه میدهد ساختارهای کوچکمقیاس مثل کهکشان‌های کوتوله و توده‌های گازی اولیه شکل بگیرند. در مقابل، ذرات ماده تاریک گرم سبک‌تر و متحرک‌ترند؛ جریان آزاد آن‌ها (free‑streaming) تشکیل ساختارهای کوچک را سرکوب میکند و توزیع ماده را در زیرمقیاس‌های کهکشانی هموار میسازد. این تفاوت در رشد ساختارهای کوچکمقیاس تأثیر مستقیم بر توزیع گاز خنثی و در نتیجه بر سیگنال 21‑cm دارد.
خط 21 سانتیمتری هیدروژن خنثی که به دلیل گسترش جهان قرمزگرایی یافته، پنجرهٔ رصدی منحصربه‌فردی به عصر تاریک و سپیدهدم کیهانی میدهد. وقتی اتم‌های هیدروژن بین سطوح انرژی هایپرفاین گذار می‌کنند، تابش را در طول‌موج 21 سانتی‌متر (حدود 1420 مگاهرتز در مبدأ) منتشر یا جذب می‌کنند. از آنجا که کیهان از آن زمان منبسط شده، این تابش اکنون در حدود چند ده مگاهرتز (تقریباً 50 مگاهرتز یا کمتر) انتظار می‌رود—برای سیگنال‌هایی که حدود 100 میلیون سال پس از انفجار بزرگ منشأ می‌گیرند. دامنه و شکل طیفی سیگنال جهانی (میانگین آسمان) 21‑cm، اطلاعاتی دربارهٔ چگالی، دما و توزیع سرعت هیدروژن خنثی کدگذاری میکند و بهطور غیرمستقیم بازتاب‌دهندهٔ توزیع ماده تاریک زیرین است.
شبیه‌سازی‌ها و نتایج کلیدی
برای جدا کردن امضای ماده تاریک، تیم پژوهشی به سرپرستی هیون‌بائه پارک (آن زمان در مؤسسه کاولی برای فیزیک و ریاضیات کیهان) عصر تاریک کیهانی را با وضوح بی‌سابقهٔ مقیاس کوچک شبیه‌سازی کردند. به‌جای مدل‌سازی دوران‌های بعدی که پیچیدگی‌های ناشی از تشکیل ستاره و بازخورد دارند، آن‌ها بر بازه‌ای ساده‌تر و زودتر متمرکز شدند که فیزیک آن بهتر محدود است و اثر ماده تاریک واضح‌تر باقی می‌ماند. این رویکرد کاهش عدم قطعیت‌های ناشی از فرآیندهای نجومی پیچیده را هدف می‌گیرد و اجازه میدهد اثرات ذاتی رشد ساختار که در نتیجهٔ خواص ذرهای ماده تاریک شکل می‌گیرند، آشکارتر شوند.
شبیه‌سازی‌ها پیگیری کردند که چگونه بخش‌های گازی تحت تأثیر گرانش در سناریوهای ماده تاریک سرد و گرم به‌هم می‌چسبند. وقتی گازها به چاه‌های پتانسیل ماده تاریک سقوط می‌کنند، فشرده و گرم می‌شوند؛ نواحی متراکم‌تر نسبت به نواحی کم‌چگال‌تر مسیرهای سرمایشی متفاوتی دارند. این تضادها شدت و مدولاسیون فرکانسی نشر و جذب 21‑cm را تغییر می‌دهند. تحلیل دقیق این تغییرات طیفی میتواند امضای غیرمستقیم ویژگی‌های ذرهای ماده تاریک را آشکار سازد، از جمله محدودیتهایی بر جرم ذره و طول مقیاس جریان آزاد آن.
شکل ۱. در این تصویرسازی، هر نقطه نمایانگر یک بخش گازی با جرمی تقریباً ۱۰۰۰ برابر جرم خورشید در شبیه‌سازی عصر تاریک کیهانی است. پنل سمت چپ و راست به‌ترتیب سناریوهای ماده تاریک سرد و گرم را مقایسه می‌کنند. رنگ‌ها دمای گاز را نشان می‌دهند؛ زرد، قرمز و مشکی تقریباً متناظر با 200، 50، و 20 کلوین هستند. زمان از بالا به پایین پیش می‌رود و تکامل ساختارهای گازی در طول عصر تاریک را نشان میدهد. اعتبار تصویر: هیون‌بائه پارک.
تیم، نمودارهای میانگین آسمانی دمای درخشانی 21‑cm را محاسبه کرد و تفاوت‌های قابل‌اندازه‌گیری بین مدل‌های WDM و CDM یافت. در مورد ماده تاریک سرد، شکل‌گیری زودهنگام ساختارهای کوچکمقیاس کنتراست اندکی بالاتر در سیگنال 21‑cm ایجاد میکند؛ در سناریوی گرم، سرکوب ساختارهای کوچکمقیاس موجب ایجاد شکلی نرم‌تر و طیفی اندکی تغییر‌یافته میشود. اختلاف پیش‌بینی‌شده در دمای درخشانی بین این دو سناریو کوچک است—کمتر از یک میلی‌کلوین—اما منظم، قابل‌پیش‌بینی و از نظر نظری قابل‌اتکا نشان داده شده است.
شکل ۲. سیگنال میانگین آسمانی پیش‌بینی‌شدهٔ هیدروژن 21‑cm مربوط به حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ. خط سیاه نمایانگر حالت بدون شکل‌گیری ساختار است که در شکل ۱ نشان داده شد. خطوط آبی و قرمز متناظر با سناریوهایی هستند که ساختارها از ماده تاریک سرد و گرم شکل گرفته‌اند، همان‌طور که در شکل ۱ تصویر شده است. اعتبار: Park و همکاران.
از آنجا که این اثر وابسته به رشد ساختارهای کوچکمقیاس است، آشکارسازی آن بهطور مستقیم جرم ذرهای ماده تاریک را محدود میکند و در نتیجه طبقهبندی آن را به عنوان گرم یا سرد روشن میسازد. این رویکرد، تکمیل‌کنندهٔ جستجوهای آزمایشگاهی و آزمایش‌های آشکارسازی غیرمستقیم است و میتواند پارامترهایی را به دست دهد که آزمایش‌های زمینی به‌تنهایی سخت می‌توانند تعیین کنند.
چرا نیمرخ دورِ ماه بهترین مکان برای رصد است
رصد سیگنال 21‑cm دوران تاریک از زمین به‌شدت دشوار است. باند فرکانسی مربوطه (≈50 مگاهرتز و پایین‌تر) تحت تسلط تداخل فرکانس رادیویی زمینی (RFI) از فرستنده‌ها و سامانه‌های ارتباطی است و به‌شدت تحت تأثیر یونوسفر قرار دارد که امواج رادیویی کمفرکانس را منحرف و جذب میکند. آلودگی ناشی از این عوامل، آشکارسازی زمینی سیگنال ضعیف جهانی عصر تاریک را عملاً غیرممکن میسازد.
نیمرخ دور ماه، که بهطور دائمی در برابر ارسالهای رادیویی زمین محافظت میشود، محیطی آرام از نظر رادیویی فراهم میآورد و برای کیهان‌شناسی کمفرکانس مناسب‌ترین نقطه است. ابزارهای سطحی یا مداری در نیمرخ دور ماه می‌توانند آسمان کمفرکانس بکر را بدون RFI زمینی یا تأثیرات یونوسفری رصد کنند. این مزیت حتی برای پالایش رویه‌های کالیبراسیون و حذف سیگنال‌های پیش‌زمینهٔ کهکشانی نیز حیاتی است؛ زیرا سیگنال هدف بسیار ضعیف‌تر از منابع فرعی در آسمان است.
شکل ۳. تصویر شماتیک که انگیزهٔ رصدهای رادیویی مبتنی بر فضا از نیمرخ دور ماه را نشان میدهد. رصدهای زمینی به‌دلیل تداخل رادیویی و یونوسفر دچار مشکل می‌شوند. نیمرخ دور ماه محیطی آرام از نظر رادیویی ارائه میدهد که برای آشکارسازی سیگنال ضعیف عصر تاریک ایده‌آل است. تصورات هنری سه مأموریت برنامه‌ریزی‌شده—Tsukuyomi (ژاپن)، CLPS (آمریکا)، و DSL (چین)—هم نشان داده شده‌اند. اعتبار: هیون‌بائه پارک، ISAS/JAXA، NASA/Intuitive Machines، Xz998، CC BY‑SA 4.0 از طریق Wikimedia Commons.
چندین تلاش ملی و تجاری اکنون مفاهیمی برای آرایه‌های رادیویی کمفرکانس یا ابزارهای تک‌دهانه‌ای روی ماه دارند. پروژهٔ ژاپنی Tsukuyomi، مأموریت‌های CLPS ناسا و پیشنهادهایی مانند مفهوم DSL چین نشان‌دهندهٔ علاقهٔ بین‌المللی رو به رشد هستند. تحلیل پارک و همکاران، انتظارات نظری‌ای فراهم میآورد که طراحان مأموریت می‌توانند از آن برای بهینه‌سازی حساسیت ابزار، پوشش فرکانسی و استراتژی‌های کالیبراسیون برای افتراق بین ماده تاریک گرم و سرد استفاده کنند.
چالشهای فناوری همچنان پابرجاست: استقرار آنتنهای کمفرکانس پایدار و کالیبرهشده روی ریگولیت ماه، حفظ پایداری حرارتی و الکترونیکی، و مونتاژ آرایه‌های بلندپایه برای افزایش حساسیت زاویهای همگی نیازمند مهندسی قوی و آزمون‌های پیشرفته هستند. با این حال، مطالعه نشان میدهد که بازده علمی—از جمله محدودیت‌های مستقیم بر جرم ذرهای ماده تاریک از داده‌های کیهان‌شناختی—میتواند این سرمایه‌گذاری را در دهه‌های پیش رو توجیه کند. علاوه بر این، فناوری‌های توسعه‌یافته برای چنین مأموریت‌هایی کاربردهای گستردهتری در علوم ماه، هلیوفیزیک و رصدهای کمفرکانس کیهان نزدیک خواهند داشت.
دیدگاه تخصصی
«آشکارسازی سیگنال 21‑cm عصر تاریک میتواند دستاوردی محوری در کیهان‌شناسی باشد»، دکتر «مایا چن»، اخترفیزیکدان در مؤسسه مطالعات کیهانی، می‌گوید. «حتی اندازه‌گیری زیر میلی‌کلوینی که با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی هم‌خوانی داشته باشد، میتواند گستره‌ای از مدل‌های ماده تاریک گرم را رد کند و جستجو برای نامزدهای ذرهای قابل‌قبول را تیزتر سازد. ماه پاک‌ترین سکوی آزمایشی است که برای بررسی این فیزیک در اختیار داریم.»
علاوه بر پیامدهای کیهان‌شناختی، رادیوآستروپژیک قمری فناوریها و پیشرفت‌های برنامه‌ای را نیز پیش می‌برد: آنتنهای قابل‌گسترش با جرم کم، فرودگرهای خودران، تکنیک‌های کالیبراسیون دقیق و همکاری‌های بین‌المللی. این فناوریها فراتر از آزمون عصر تاریک مفید خواهند بود و پایه‌ای برای مأموریت‌های علمی متنوع در مدار و سطح ماه فراهم می‌آورند.
جمع‌بندی
شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند تابش ضعیف 21‑cm از هیدروژن خنثی در طول عصر تاریک کیهانی، اطلاعاتی دربارهٔ ساختارهای کوچکمقیاس کدگذاری میکند که بهطور قوی به سرد یا گرم بودن ماده تاریک بستگی دارد. آشکارسازی این امضا نیازمند سکوی رصدی آرام از نظر رادیویی—که محتمل‌ترین گزینه آن نیمرخ دور ماه است—می‌باشد. مأموریت‌های قمری آتی و مطالعات مفهومی اکنون هدف نظری روشنی دارند: اندازه‌گیری میانگین آسمانی 21‑cm در دهها مگاهرتز با دقت زیر میلی‌کلوین. اگر این هدف محقق شود، چنین رصدهایی میتواند ابزاری قطعی کیهان‌شناختی برای تعیین جرم ذرهای ماده تاریک باشد و به حل یکی از عمیق‌ترین سؤالات فیزیک یاری رساند.
مدل‌های پژوهشگران راهنمایی‌های عملی برای طراحی مأموریت و مشخصات ابزار ارائه می‌دهند و چشم‌انداز محدودسازی خواص ماده تاریک از طریق رادیوآستورومی قمری را در دهه‌های آینده واقع‌گرایانه‌تر می‌سازند. کلمات کلیدی: ماده تاریک، عصر تاریک کیهانی، سیگنال هیدروژن 21‑cm، رصدخانه رادیویی قمری، Tsukuyomi، رصد پشتِ ماه.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر