سیاره‌های فراخورشیدی می‌توانند ماهیت ماده‌ تاریک را آشکار کنند

ما در دنیایی پر از ابهام زندگی می‌کنیم. بر اساس توافق ستاره‌شناسان، به‌طور کلی تقریبا ۸۵ درصد از جرم کل جهان از ماده‌ای عجیب و اسرارآمیز تشکیل شده است؛ ذراتی فرضی به نام ماده‌ی تاریک. کهکشان راه شیری که به‌صورت دیسکی مسطح و درخشان ظاهر می‌شود، در هاله‌ای بسیار بزرگ قرار دارد که با حرکت به سمت مرکز متراکم‌تر می‌شود؛ اما ماهیت اصلی ماده‌ی تاریک، گریزان بودن آن است. این ماده با نیروهای الکترومغناطیس مثل نور واکنش نمی‌دهد؛ همچنین برخوردهای احتمالی با ماده‌ی تاریک به‌ندرت رخ می‌دهند و به‌‌سختی قابل تشخیص‌اند.

فیزیک‌دان‌ها برای پی بردن به واکنش‌های ماده‌ی تاریک، آشکارساز‌های ساخته‌شده از تراشه‌های سیلیکونی را روی زمین نصب کردند. آن‌ها به بررسی تأثیر ماده‌ی تاریک بر اجرامی مثل ستاره‌های نوترونی و اجرام دیگری می‌پردازند. به گفته‌ی ربکا لین، فیزیک‌دان ذرات از آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده‌ی SLAC:

از وجود ستاره‌ها و سیاره‌ها آگاهیم و می‌دانیم بر هاله‌ی راه شیری تأثیر می‌گذارند. این اجرام با حرکت در هاله با ماده‌ی تاریک هم برخورد می‌کنند.

در نتیجه لین بررسی مجموعه‌ی وسیعی از سیاره‌های فراخورشیدی را پیشنهاد می‌دهد. او معتقد است باید از مجموعه‌های بزرگ غول‌های گازی یا سیاره‌های مشابه مشتری برای این بررسی استفاده کرد. ماده‌ی تاریک می‌تواند در دام جاذبه‌ی سیاره‌های گرفتار شود. در این صورت ذرات با یکدیگر برخورد و گرما تولید می‌کنند. این گرما جمع و باعث داغ‌تر شدن سیاره به‌ویژه در نزدیکی مرکز متراکم کهکشان می‌شود. لین و همکار او جوری اسمیرنف از دانشگاه ایالتی اوهایو، در ماه آوریل مقاله‌ای در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر کردند. بر اساس این پژوهش، با اندازه‌گیری مجموعه‌ای از دماهای سیاره‌ی فراخورشیدی به سمت مرکز راه شیری، می‌توان رد ماده‌ی تاریک را از طریق گرمای غیر منتظره آشکار کرد.

مقاله‌ی پژوهشگرها بر اساس محاسبات است نه مشاهدات؛ اما بر اساس پیش‌بینی لین و اسمیرنف، افزایش دما چشمگیر است و البته به‌زودی دماسنج جدیدی دست خواهیم یافت؛ تلسکوپ فضایی جیمز وب که طبق پیش‌بینی، پاییز امسال پرتاب خواهد شد. جیمز وب یک تلسکوپ مادون قرمز و قدرتمندترین نمونه‌ای است که تاکنون به دست بشر ساخته شده. به گفته‌ی جوزف برامانت، فیزیکدان ذرات در دانشگاه کوین و مؤسسه‌ی مک دونالد اونتاریو: «روش گرمایی، روشی نوآورانه و شگفت‌انگیز برای کشف ماده‌ی تاریک است.»

برامانت در گذشته به بررسی احتمال کشف ماده‌ی تاریک روی سیاره‌ها پرداخته بود. او معتقد است کشف سیاره‌ها‌ی به‌شدت داغ که به سمت مرکز راه شیری قرار دارند، نشانه‌ای خوب برای کشف ماده‌ی تاریک است. کمتر از سی سال از کشف اولین سیاره‌‌های فراخورشیدی می‌گذرد. از آنجا که این سیاره‌ها بسیار کم‌نورتر از ستاره‌ها هستند به‌سختی می‌توان آن‌ها را رصد کرد؛ این سیاره‌ها معمولا از طریق مسدود کردن نور ستاره‌ی میزبان کشف شده‌اند. ستاره‌شناسان همچنین از طریق روش‌هایی مثل میکرولنز به اندازه‌گیری سیاره‌های فراخورشید پرداختند. تاکنون ۴۳۷۵ سیاره‌ی فراخورشید کشف شده‌اند؛ اما هنوز ۳۰۰ میلیارد سیاره‌ی کشف‌نشده در راه شیری باقی مانده‌اند.

تلسکوپ فضایی جیمز وب پاییز امسال پرتاب خواهد شد و می‌توان از گرماسنج آن برای بررسی دمای سیاره‌های فراخورشیدی استفاده کرد

ماده‌ی تاریک معمولا آزادانه در میان جزایر ماده‌ی معمولی حرکت می‌کند. در نتیجه می‌تواند بدون واکنش با اجرام از کنار آن‌ها عبور کند؛ اما وقتی ذره‌ی ماده‌ی تاریک با ذرات ماده‌ی معمولی مثل پروتون برخورد کند، اندکی از سرعتش کاسته می‌شود. به گفته‌ی لین:

درست مانند بیلیارد، توپ‌ها با یکدیگر برخورد و به همین ترتیب، نوسان می‌کنند. در نهایت انرژی توپ اولیه به کمترین مقدار خود می‌رسد.

افزایش تعداد برخوردها سرعت ذره‌ی ماده‌ی تاریک را کاهش می‌دهد. در نتیجه این ماده در دام گرانش سیاره‌ گرفتار می‌شود. بر اساس پیش‌بینی فیزیک‌دان‌ها، در نهایت ذرات ماده‌ی تاریک می‌توانند با یکدیگر برخورد کنند و یکدیگر را گرم کنند. در نهایت ماده‌ی تاریک پرانرژی به ذرات دیگر و در نهایت به گرما تبدیل می‌شود. به گفته‌ی لین: «این ذرات پس از برخورد با یکدیگر انرژی سیاره را افزایش می‌دهند.»

پژوهشگرهای دیگر به بررسی چگونگی تأثیر ماده‌ی تاریک بر جریان گرما در ستاره‌های نوترونی، سیاره‌ها و ماه پرداختند. برامانت همچنین به بررسی محدودیت‌های جریان گرما روی مریخ و زمین پرداخت؛ اما لین می‌گوید هیچ آزمایشگاهی بهتر از سیاره‌های فراخورشیدی از نوع غول‌های گازی نیست. علاوه بر این رصد ستاره‌های نوترونی بسیار دشوار است زیرا کوچک‌تر از غول‌های گازی هستند و قطر میانگین برخی از آن‌ها تنها ۲۰ کیلومتر است. درحالی‌که قطر میانگین سیاره‌های گازی بین ۵۰ هزار تا ۲۰۰ هزار کیلومتر است و علاوه بر این غول‌های گازی کهن معمولا سرد هستند در نتیجه گرمای ناشی از برخوردها آسان‌تر کشف می‌شوند. کوتوله‌های قهوه‌ای هم ستاره‌های کوچکی هستند که در مرز بین ستاره‌ها و غول‌های گازی قرار می‌گیرند. این ستاره‌های کوچک هم اهداف پژوهشی خوبی برای کشف ماده‌ی تاریک هستند.

لین و اسمیرنف به‌دنبال ردیایی یک روند هستند: الگوهایی از دماهای عجیب که در تعریف ماده‌ی تاریک صدق کنند. در نتیجه به بررسی تراکم ماده‌ی تاریک پرداختند. ماده‌ی تاریک با پیش روی به سمت مرکز کهکشان متراکم‌تر می‌شود. مقدار بیشتر ماده‌ی تاریک به‌معنی افزایش تعداد برخوردها هستند. با افزایش برخوردها گرمای بیشتری تولید می‌شود. طبق محاسبات، سیاره‌های کلان‌جرم مثل مشتری می‌توانند نسبت به چگالی‌های متفاوت ماده‌ی تاریک واکنش دهند. آن‌ها از متغیرهایی مثل جرم، شعاع، دمای معمولی و سرعت گریز برای بررسی رابطه‌ی جریان گرمای داخلی سیاره‌ی فراخورشیدی فرضی (کوتوله‌ی قهوه‌ای) نسبت به نرخ جذب ماده‌ی تاریک استفاده کردند. این معادله امکان تبدیل پیش‌بینی‌های موجود درباره‌ی توزیع ماده‌ی تاریک کهکشان را به پیش‌بینی‌های مربوط به الگوهای دمایی می‌دهد.

سیاره‌های فراخورشیدی که به مرکز کهکشان نزدیک‌ترند معمولا داغ‌تر هستند. بر اساس محاسبات پژوهشگرها، دمای سیاره‌های فراخورشیدی مشتری مانند، تا چندین هزار درجه می‌رسد. دمای سطح سیاره در فاصله‌ی یک پارسک از مرکز راه شیری (معادل ۳٫۲۶ سال نوری) می‌تواند به بیش از ۵۴۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد برسد که معادل دمای سطح خورشید است.

لین و اسمیرنف دو آزمایش را برای اثبات نظریه‌ی خود پیشنهاد دادند: محلی و دوردست. آزمایش محلی با استفاده از تلسکوپ‌های مادون قرمز و بررسی دماهای سطح غول‌های گازی در همسایگی زمین به اکتشاف ماده‌ی تاریک می‌پردازد سپس نتایج با مدل‌های جریان گرمایی مقایسه می‌شوند. ستاره‌شناسان تاکنون صدها غول گازی کشف کرده‌اند و امیدوار هستند تلسکوپ گایا در دهه‌ی آینده، ده‌ها هزار سیاره‌ی دیگر را شناسایی و دسته‌بندی کند.

قبل از هرگونه تحلیلی، پژوهشگرها باید سیاره‌ها را ببینند. تلسکوپ مادون قرمز جیمز وب ناسا، وظیفه‌ی گرماسنجی خود را در سال جاری آغاز خواهد کرد. لین و اسمیرنف امیدوار هستند بتوانند از این تلسکوپ برای اثبات فرضیه‌های خود استفاده کنند. بر اساس گزارش‌ها، جیمز وب از حساسیت کافی برای مشاهده‌ی سیاره‌های گرم‌تر از ۳۷۶ درجه‌ی سانتی‌گراد در محدوده‌ی ۱۰۰ پارسکی از مرکز راه شیری برخوردار است.

لین همچنین به‌دنبال همکاری با دانشمندان سیاره‌ای برای برداشتن گام‌های بعدی است. بر اساس انتظار‌ها داده‌های جیمز وب از دیگر جستجوها هم برای تحلیل‌های او مناسب هستند. اگر روند گرمایشی در داده‌ها آشکار شود به‌سختی می‌تواند توضیحی غیر از ماده‌ی تاریک داشته باشد؛ اما اگر این نظریه اثبات نشود چطور؟ به گفته‌ی لین:

حتی در صورت شکست، باز هم به داده‌های جدیدی از جهان دست خواهیم یافت. تا زمانی‌که در عمل بررسی‌ها را آغاز نکنیمُ نمی‌توانیم با اطمینان سخن بگوییم.