7 دقیقه
تصور کنید به زمانی گوش می‌دهید که کیهان هنوز تاریک بود. پژوهشگران ژاپنی مطرح میکنند که یک نجوا از نور رادیویی مربوط به «عصر تاریک» کیهانی میتواند خواص ماده تاریک — آن مادهٔ نامرئی که ساختار کهکشان‌ها را شکل میدهد — را فاش کند. شبیه‌سازی‌های جدید نشان میدهد که تلسکوپ‌های رادیویی مستقر بر ماه ممکن است ابزار ایده‌آلی برای ثبت این سیگنال ضعیف باشند؛ سیگنالی که میتواند اطلاعات منحصربه‌فردی دربارهٔ طبیعت ماده تاریک و تاریخچهٔ حرارتی گاز اولیهٔ کیهان بدهد.
چرا سیگنال 21 سانتیمتری اهمیت دارد
حدود 13.8 میلیارد سال پیش، انفجار بزرگ (بیگ بنگ) پایه‌های هستی را بنا نهاد. پس از چیزی در حدود 400 هزار سال، کیهان به اندازه‌ای سرد شد که پروتون‌ها و الکترون‌ها بتوانند با یکدیگر ترکیب شوند و هیدروژن خنثی را تشکیل دهند؛ مرحله‌ای که پس از آن دورهٔ طولانی و نسبتاً تاریکی آغاز شد که به «عصر تاریک» شناخته می‌شود و تا ظهور اولین اخترها و کهکشان‌ها ادامه یافت. این بازه زمانیِ میان «ترکیب» (recombination) و «یونیزاسیون دوباره» اولیه، اطلاعاتی بسیار پاک و مستقیم دربارهٔ شرایط فیزیکی گاز نخستین در اختیار ما قرار میدهد.
در این دوره، اتم‌های هیدروژن قادر بودند امواج رادیویی را در طول موج ویژهٔ 21 سانتیمتر جذب یا منتشر کنند؛ انتقال فوقریز (hyperfine transition) در هیدروژن که منجر به «خط 21-cm» می‌شود. چون تابش و جذبِ این خط بازتاب‌دهندهٔ دما، چگالی و وضعیت اسپین-دما (spin temperature) گاز اولیه است، ردیابی آن نمایی تشخیصی از شرایط در کیهان جوان فراهم می‌آورد. به‌ویژه، تغییرات در دما و توزیع مادهٔ تاریک میتواند الگوهای قابل‌شمارشی در این سیگنال ایجاد کند؛ بنابراین خط 21 سانتیمتری یک «آزمایش کیهانی» مستقیم برای مطالعهٔ ماده تاریک و فرایندهای گرمایش/سرمایش گاز است.
شبیهسازیها به یک اثر بسیار کوچک اما قابل‌تشخیص اشاره میکنند
تیمی از پژوهشگران دانشگاه تسوکوبا و دانشگاه توکیو با استفاده از شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناختی با رزولوشن بالا رفتار گاز و مادهٔ تاریک را در طول عصر تاریک مدل‌سازی کردند. این شبیهسازیها شامل سناریوهای مختلف مادهٔ تاریک سرد (Cold Dark Matter, CDM) و مادهٔ تاریک گرم (Warm Dark Matter, WDM) بودند؛ ترکیبی از شبیه‌سازی‌های N-body برای مادهٔ تاریک و هیدرودینامیک یا تقریب‌های گاز برای پیگیری رفتار هیدروژن به کار گرفته شد تا تکامل دما و چگالی و همچنین پارامترهای مرتبط با اسپین-دما محاسبه شود. با پیشروی زمانی، تیم مقدار میانگین درخشش آسمان (sky-averaged brightness temperature) خط 21-cm را بر اساس هر سناریو تخمین زد.
نتایج پیشبینی میکنند که یک سیگنال سراسری (global signal) در محدودهٔ تقریباً 1 میلیکلوین (میلیکلوین = یک‌هزارمِ درجهٔ کنتراست در دمای درخشندگی) در باند رادیویی مربوطه وجود دارد. آنچه حائز اهمیت است این است که مدل‌های متفاوت مادهٔ تاریک زمان‌بندی ظهورِ این تابش ضعیف و دامنهٔ آن را تغییر می‌دهند. تفاوت در جرم ذره و توزیع سرعتِ مادهٔ تاریک میتواند نشانه‌های ظریفی را در طیفِ پهنای فرکانسی در حدود 45 مگاهرتز برجای بگذارد؛ بنابراین شکل و موقعیت زمانی پروفیل سراسری 21-cm میتواند یک ردیاب حساس برای فیزیک مادهٔ تاریک باشد. به‌عنوان مثال، مادهٔ تاریک گرم با توزیع سرعت بالاتر میتواند از رشد ساختارهای کوچک جلوگیری کند و بدین‌ترتیب الگوی گرمایشِ گاز و در نتیجه سیگنال 21-cm را به صورت قابل کشف تغییر دهد.
توزیع‌های شبیه‌سازی‌شدهٔ مادهٔ تاریک سرد و گرم با ذراتی که بر اساس دما رنگ‌آمیزی شده‌اند نمایش داده شده‌اند، همراه با تصویری از تلسکوپ‌های رادیویی روی ماه. اعتبار تصویر: Hyunbae Park، دانشگاه تسوکوبا. این تصویر نه تنها تفاوت‌های فضایی در توزیع مادهٔ تاریک را نشان میدهد، بلکه نحوهٔ تأثیر این تفاوت‌ها بر میدان دمایی هیدروژن اولیه و ارتباط آن با سیگنال 21-cm را نیز به‌صورت بصری منتقل میکند.
تلسکوپ‌های رادیویی روی ماه: یک مکان ساکت برای شنیدن
رصدخانه‌های رادیویی زمینی همواره با اختلالات ناشی از منابع مصنوعی (Radio Frequency Interference - RFI)، تداخل امواج مخابراتی و اختلالات یونوسفری مواجه بوده‌اند. یونوسفر زمین در باندهای فرکانسی پایین تغییرات زمان‌دار و اعوجاج فازی تولید میکند که جداسازی یک سیگنال آسمان ضعیف را دشوار می‌سازد. در این زمینه، سمت پشتی ماه (far side) محیطی فوق‌العاده آرام از نظر نویز رادیویی فراهم می‌آورد؛ منطقه‌ای که در مقابل تداخل زمینی محافظت شده است و به‌ویژه برای رصدهای فرکانس پایین زیر حدود 100 مگاهرتز بسیار مناسب است. وجود منطقهٔ تاریک رادیویی، امکان آشکارسازی امواج ضعیف مانند سیگنال 21-cm عصر تاریک را به‌نحو قابل‌توجهی افزایش میدهد.
چندین مأموریت و پروژه پیشنهاد داده‌اند شبکه‌های آنتنی یا آرایه‌های رادیویی را روی سطح ماه نصب کنند؛ از جمله پروژهٔ ژاپنی تسوکویومی (Tsukuyomi Project) که به‌عنوان یکی از نمونه‌ها مطرح است. اگر تلسکوپی بر روی ماه بتواند سیگنال سراسری 21-cm را در باند فرکانسی پیش‌بینی‌شده اندازه‌گیری کند، اخترفیزیکدانان قادر خواهند بود پارامترهای ذرات مادهٔ تاریک را به‌صورت محدودتری تعیین کنند؛ مقادیر جرم، مقیاس برش آزاد (free-streaming length) یا ویژگیهای دیگر که در آزمایشهای فیزیک ذرات و بررسیهای ساختار کهکشانی به‌صورت مکمل بررسی می‌شوند. علاوه بر این، محیط خلأ و دمای سطحی و چالش‌های حرارتی منحصر به‌فرد ماه نیازمند طراحی‌های مهندسی و الگوریتمهای کالیبراسیون دقیق است تا داده‌های رادیویی با کیفیت بالا تضمین شود.
معانی این یافته‌ها برای پژوهش ماده تاریک
ظهور سیگنال سراسری 21-cm از عصر تاریک میتواند پنجره‌ای کاملاً جدید به سوی جنبهٔ نامرئی کیهان بگشاید. برخلاف روش‌های غیرمستقیم سنتی مثل اندازه‌گیری سرعت دورانی کهکشان‌ها یا اثرات همگرایی گرانشی (lensing)، ثبت این سیگنال میتواند یک آزمایش مستقیم از چگونگی تأثیر مادهٔ تاریک بر تاریخچهٔ حرارتی هیدروژن خنثی فراهم آورد. این نوع اندازه‌گیری، اطلاعاتی دربارهٔ مقیاس‌های فضایی کوچک و زمان‌های ابتدایی دارد که معمولاً با رصد کهکشان‌ها یا آزمایشهای برخورددهنده‌ها به‌راحتی در دسترس نیست.
البته این بدان معنا نیست که کشف در کوتاه‌مدت حتمی است؛ سیگنال بسیار کوچک است و چالش‌های مهندسی، از جمله حذف پیش‌زمینه‌های قوی گالاکتیک و فروگراند‌های دیگر، کنترل سیستماتیک‌ها، پایداری آنتن‌ها و انتقال داده از ماه به زمین، بسیار جدی‌اند. اما ترکیب شبیه‌سازی‌های دقیق، توسعهٔ الگوریتمهای جداسازی پیشزمینه مانند روش‌های مبتنی بر مدل‌سازی طیف پیش‌زمینهٔ کهکشانی و نوآوری در ساخت تلسکوپ‌های ماهی، چشم‌اندازِ واقع‌گرایانه‌تری برای این کاوش فراهم می‌آورد. اگر موفقیت‌آمیز باشد، رصدهای رادیویی روی ماه می‌توانند پارادایم مطالعهٔ مادهٔ تاریک را از فرضیه‌ها و محدودیت‌های غیرمستقیم به سوی اندازهگیریهای کمی و مستقیم سوق دهند؛ اندازه‌گیری‌هایی که با داده‌های رصدی و شبیه‌سازی می‌توانند به محدودیت‌های جدیدی دربارهٔ جرم و تعاملات مادهٔ تاریک منجر شوند.
علاوه بر این، یک رصد موفق از سیگنال 21-cm عصر تاریک میتواند نقش مهمی در تکمیل نقشهٔ زمانی-فضاییِ تکامل کیهان بازی کند: از دوران ترکیب تا شکل‌گیری ساختارهای اولیه و آغاز یونیزاسیون مجدد. این اطلاعات میتواند پارامترهای بنیادین مدل‌های کیهان‌شناسی (مانند چگالی ماده تاریک، طیف اختلالات اولیه، و نرخ‌های بزرگ‌شدن ساختار) را بهبود بخشد و محدودیت‌هایی به مدل‌های جایگزین مادهٔ تاریک یا نظریه‌های جدید گرانش تحمیل کند. در نهایت، هم‌پوشانی نتایج رادیویی ماه با داده‌های تلسکوپ‌های کهکشانی، آزمایشهای ذرهای و مشاهدات عدسی گرانشی، تصویر جامع‌تری از نقش مادهٔ تاریک در تکامل کیهانی فراهم خواهد کرد.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر