آشکارسازی نحوه توزیع ماده تاریک در اوایل عمر جهان برای نخستین بار

دانشمندان توانسته‌اند ماده تاریک را در اطراف کهکشان‌هایی شناسایی کنند که از حدود ۱۲ میلیارد سال پیش وجود داشته‌اند. این کشف، قدیمی‌ترین آشکارسازی ماده‌ی رازآلودی به‌شمار می‌رود که بر جهان هستی سیطره دارد.

یافته‌ها‌ی اخیر که با همکاری محققان دانشگاه ناگویا ژاپن به دست آمده، نشان می‌دهد که ماده تاریک در جهان اولیه کمتر از آنچه که در بسیاری از مدل‌های کیهان‌شناسی فعلی پیش‌بینی می‌شود، دارای ماهیت انباشته یا برهم‌فشرده بوده است. اگر کارهای پژوهشی بیشتر در آینده نیز این نظریه را تأیید کنند، این امکان وجود خواهد داشت که درک دانشمندان از چگونگی تکامل کهکشان‌ها دستخوش تغییر شده و در ادامه اثبات شود که قوانین بنیادی حاکم بر کیهان احتمالاً در زمان‌هایی دور و هنگامی که تنها ۱٫۷ میلیارد سال از عمر کیهان می‌گذشته، احتمالاً با قوانین فعلی حاکم بر کیهان تفاوت‌هایی داشته‌‌ است.

کلید نقشه‌برداری ماده تاریک در جهان بسیار اولیه، تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) است؛ نوعی تابش فسیلی باقی‌مانده از بیگ بنگ (مهبانگ) که در سراسر کیهان توزیع شده است. ماسامی اوچی، استاد دانشگاه توکیو در بیانیه‌ای توضیح می‌دهد:

به ماده تاریک در اطراف کهکشان‌های دور نگاه کنید؟ چنین ایده‌ای دیوانه‌کننده بود. هیچکس [پیش‌تر] متوجه نشده بود که ما می‌توانیم این کار را انجام دهیم. اما بعد از اینکه درمورد یک نمونه کهکشان دوردست بزرگ صحبت کردم، هیرونائو نزد من آمد و اظهار کرد که شاید بتوان با کمک CMB به ماده تاریک اطراف این کهکشان‌ها نگاه کرد.

ازآنجاکه نور برای پیمودن مسیر خود از اجرام دوردست تا زمین به زمان محدودی نیاز دارد، اخترشناسان دیگر کهکشان‌ها را به همان شکلی مشاهده می‌کنند که در زمان خروج نور از آن‌ها بوده‌اند. هرچه یک کهکشان دورتر از ما واقع شده باشد، نور نیز طبعا مسافت طولانی‌تری را به سمت ما می‌پیماید و از همین روی ما به‌عنوان ناظر، آن‌ها را در زمان‌های دورتری می‌بینیم. با کنار هم گذاشتن این توضیحات می‌توان نتیجه گرفت که ما دورترین کهکشان‌ها را به شکلی که در میلیاردها سال پیش بوده‌اند می‌بینیم؛ این تخمین‌های زمانی ما را به دورانی می‌رساند که جهان هستی همانند یک کودک نوپا در قیاس با عمر ۱۴٫۵ میلیارد ساله‌ی خود بوده است.

اشاره کردیم که ماده تاریک با نور و ماده‌ی معمولی برهم‌کنشی ندارد؛ شاید بپرسید پس این ماده با کدام پدیده‌ی شناخته‌شده برای بشر برهم‌کنشی صورت می‌دهد؟ پاسخ این است که اخترشناسان برای دیدن ماده تاریک باید به تعامل آن با گرانش تکیه کنند.

طبق نظریه‌ی نسبیت انیشتین، اجرام با جرم بسیار زیاد باعث انحنای فضا-زمان می‌شوند. قیاس یا مثال رایجی برای درک بهتر موضوع وجود دارد: ورقه‌ی لاستیکی کشسانی که توپ‌هایی با جرم فزاینده را در خود نگه می‌دارد. هرچه جرم بیشتر باشد، فرورفتگی یا اثر بزرگتری در ورق ایجاد می‌شود. به طریقی مشابه، هرچه جسم کیهانی بزرگتر باشد، تاب برداشتن فضا-زمان هم شدیدتر خواهد بود.

اجرام عظیمی مانند کهکشان‌ها باعث می‌شوند فضا-زمان به قدری منحنی شود که نور ساطع‌شده از منابع واقع در پس آن کهکشان‌ها دچار انحنا شود؛ درست مانند حالتی که مسیر یک تیله روی صفحه‌ی لاستیکی منحرف می‌شود. این اثر موقعیت منبع نور را در آسمان تغییر می‌دهد؛ پدیده‌ای که از آن به نام همگرایی گرانشی یاد می‌کنند.

ستاره‌شناسان برای مطالعه‌ی توزیع ماده تاریک در یک کهکشان، می‌توانند چگونگی تغییر نور ساطع‌شده از پشت یک کهکشان و گذر آن از میان «کهکشان ایفاکننده‌ی نقش نوعی لنز» و در کل پدیده‌ همگرایی گرانشی را مشاهده کنند. هرچه کهکشان در نقش لنز مورد بررسی، ماده تاریک بیشتری داشته باشد، اعوجاج نور عبوری از آن نیز بیشتر خواهد بود. اما این تکنیک با وجود مفید بودنش، محدودیت‌هایی دارد.

ازآنجاکه اولین و دورترین کهکشان‌ها بسیار کم نور هستند، درنتیجه هرقدر که اخترشناسان به اعماق دورتری از جهان در زمان‌های دورتر نگاه کنند، اثر همگرایی و نقش عدسی‌گونه‌ی کهکشان‌ها نیز متعاقبا شکننده‌تر و ضعیف‌تر شده و دیدن آن دشوار می‌شود. از سویی دانشمندان هم به منابع پس‌زمینه‌ی کیهانی زیاد و هم به تعداد زیادی کهکشان‌های اولیه نیاز دارند. این مسئله در حالت عادی، نقشه‌برداری توزیع ماده تاریک را به کهکشان‌هایی محدود می‌کند است که حدود ۸ تا ۱۰ میلیارد سال سن دارند.

از سویی CMB نیز همانند سایر منابع دوردست نوری در کیهان، می‌تواند توسط کهکشان‌های دارنده‌ی ماده تاریک به‌دلیل پدیده‌ی همگرایی گرانشی منحرف شود.

یویچی هاریکان استادیار دانشگاه توکیو در بیانیه‌ای گفت:

بیشتر محققان از کهکشان‌های مبدا برای اندازه‌گیری توزیع ماده تاریک از امروز تا ۸ میلیارد سال پیش استفاده می‌کنند. بااین‌حال، ما توانستیم به گذشته‌ی دورتری نگاه کنیم؛ زیرا از CMB دورتری برای اندازه‌گیری ماده تاریک استفاده کرده بودیم.

این تیم اعوجاج‌های همگرایانه نمونه‌ی بزرگی از کهکشان‌های کهن را با کهکشان‌های بررسی‌شده با CMB به‌منظور شناسایی ماده تاریک در زمانی که عمر کیهان تنها ۱٫۷ میلیارد سال بوده، بررسی کردند. نتیجه‌ی نهایی این شد که ماده‌ی ‌تاریک کهن شناسایی‌شده، تصویر کیهانی بسیار متفاوتی را ترسیم می‌کند.

به‌گفته‌ی هاریکان:

ما برای اولین بار ماده تاریک را تقریباً از اولین لحظات جهان اندازه‌گیری کردیم. ۱۲ میلیارد سال پیش، همه چیز بسیار متفاوت بوده است. [در آن زمان] کهکشان‌های در حال شکل‌گیری بیشتری را نسبت به زمان حال می‌بینید؛ اولین خوشه‌های کهکشانی نیز شروع به شکل‌گیری کرده‌اند.

این خوشه ها می‌توانند از ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ کهکشانی تشکیل شده باشند که توسط گرانش به مقادیر زیادی ماده تاریک متصل شده‌اند.

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های یافته‌های این تیم مربوط به مطرح شدن این امکان است که شاید ماده تاریک در جهان اولیه کمتر از آن چیزی که بسیاری از مدل‌های کنونی نشان می‌دهند، دارای حالت توده‌ای یا هم‌فشردگی بوده باشد.

به‌عنوان مثال، مدلی به نام لامبدا CDM که به‌طور گسترده نیز در محافل علمی پذیرفته شده، نشان می‌دهد که نوسانات کوچک در CMB بایستی منجر به ایجاد گرانشی شود که در ادامه بسته‌های متراکمی از مواد را ایجاد می‌کند. این نوسانات در نهایت منجر به فروپاشی ماده برای تشکیل کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات می‌شود و همچنین باید منجر به ایجاد محفظه‌های متراکم از ماده تاریک شود. هاریکان گفت:

یافته‌های ما هنوز نامشخص هستند؛ اما اگر درست باشند، می‌تواند نشان‌دهنده‌ی وجود کاستی در تمام مدل‌های فعلی با عقب‌تر رفتن هرچه بیشتر در زمان و نزدیک‌ شدن به سال‌های اولیه‌ی کیهان باشد. این موضوع هیجان‌انگیز است؛ زیرا اگر نتیجه‌ی اخیر پس از کاهش عدم قطعیت‌ها هم به قوت خود باقی بماند، می‌تواند نشان‌دهنده‌ی بهبود مدل‌های قبلی باشد و شاید بینش بهتری پیرامون ماهیت خود ماده تاریک پیش روی ما بگذارد.

داده‌های به‌کاررفته توسط این تیم برای دستیابی به یافته‌های اخیر، از بررسی Subaru Hyper Suprime-Cam Survey سرچشمه گرفته است؛ سوبارو هایپر، داده‌های یک تلسکوپ مستقر در هاوایی را تجزیه و تحلیل می‌کند. بااین‌حال محققان تاکنون تنها از یک سوم این داده‌ها استفاده کرده‌اند. به‌تعبیری می‌توان نتیجه گرفت که با اضافه شدن بقیه‌ی مشاهدات، نقشه‌ی بهتری از توزیع ماده تاریک دردسترس خواهد بود.

تیم پژوهشی همچنین مشتاقانه منتظر داده‌های حاصل از بررسی میراث فضا و زمان رصدخانه Vera C. Rubin (LSST) هستند؛ داده‌هایی که می‌تواند امکان مشاهده و بررسی ماده تاریک را حتی در زمان‌های دورتر از زمان ثبت‌شده‌ی اخیر نیز فراهم کند.

هاریکان در انتها توضیح می‌دهد:

LSST به ما امکان می‌دهد تا نیمی از آسمان را رصد کنیم. هیچ دلیلی نمی‌بینم که نتوانیم توزیع ماده تاریک را در ۱۳ میلیارد سال پیش ببینیم.