ارسال ساعت‌های اتمی به نزدیکی خورشید می‌تواند راز ماده تاریک را آشکار کند

ماده‌ی تاریک ماده‌ای نامرئی است که به باور پژوهشگرها تقریبا پنج ششم از کل ماده‌ی موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. گرچه ماده‌ی تاریک هرگز به‌صورت مستقیم رصد نشده است، از طریق آثار گرانشی که بر حرکت ستاره‌ها و کهکشان‌ها دارد می‌توان به وجود آن پی برد؛ اما ترکیب ماده‌ی تاریک هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است. به عقیده‌ی یو دای سای، فیزیک‌دان دانشگاه ایرواین کالیفرنیا، کشف ماده‌ی تاریک یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای تاریخ بشر خواهد بود.

در مطالعه‌ای جدید، پژوهشگران با استفاده از دقیق‌ترین ساعت‌هایی که تاکنون ساخته شده‌اند، روشی جدید را برای کشف ماهیت ماده‌ی تاریک پیشنهاد داده‌اند. در حالی که ساعت‌های قدیمی زمان را با پاندول‌های نوسانگر حفظ می‌کنند، ساعت اتمی بر نوسان‌های کوانتومی اتم‌ها نظارت می‌کند. در شرایط فعلی، بهترین ساعت اتمی به‌قدری دقیق است که تنها هر ۳۰۰ میلیارد سال،‌ یک ثانیه زمان اتلاف‌شده دارد.

ساعت‌های اتمی به‌صورت منظم به فضا فرستاده می‌شوند. برای مثال ماهواره‌های GPS برای پخش پیغام‌های دقیق زمان‌بندی‌شده که هر گیرنده‌ی GPS برای موقعیت‌یابی به کار می‌برد، به ساعت‌های اتمی وابسته‌اند.

فیزیک‌دان‌ها در پژوهش جدید خود طرح کاوشگری به نام SpaceQ را برای قرار گرفتن در مدار نزدیک به خورشید پیشنهاد دادند. ناسا به‌تازگی کاوشگر پارکر را به خورشید ارسال کرده است. این فضاپیما رکورد نزدیک‌ شدن به خورشید را بیشتر از هر کاوشگر دیگری شکست و برای اولین بار در سال ۲۰۲۱ از میان تاج خورشیدی، جو فوقانی فراداغ خورشید پرواز کرد. جاشوا ابی، فیزیکدان دانشگاه توکیو در گفتگو با Space.com گفت:

قطعا چالش‌های فنی زیادی برای پیاده‌سازی مأموریت پیشنهادی ما وجود دارد یکی از این چالش‌ها چگونگی محافظت از حسگرهای حساس کوانتومی در برابر محیط‌های نزدیک به خورشید است؛ اما مأموریت‌هایی مثل کاوشگر پارکر ثابت می‌کنند می‌توان کارهای شگفت‌انگیزی انجام داد و به نظر می‌رسد هیچ مانعی بر سر راه وجود ندارد. برای این کار نیاز به مقداری تحقیق و توسعه است اما این پروژه فعلا در آغاز راه به‌سر می‌برد.

ذرات شبح‌وار فوق‌ سبک یکی از کاندیدهای پیشتاز ماده‌ی تاریک است. برای مثال، ذره‌ای فرضی موسوم به آکسیون ممکن است دارای جرمی کمتر از یک میلیاردیم الکترون باشد. فیزیک‌دان‌های نظری، ماهیت آکسیون‌ها را برای کمک به توضیح برهم‌کنش بین برخی ذرات پیشنهاد دادند. سای می‌گوید، اگر این نوع ماده‌ی تاریک وجود داشته باشد، می‌توانید تصور کنید که ما در میان امواج آن شناوریم.

اگر ماده‌ی تاریک از ذرات فوق‌سبک ساخته شده باشد، ماهیت بی‌جسم این ذرات کشف این ماده را بسیار دشوار می‌سازد. با این‌حال از آنجا که خورشید با جرم ۳۳۰ هزار برابر زمین، بسیار سنگین‌تر از سیاره‌ی ما است، کشش گرانشی قوی‌تری هم دارد. به‌این‌ترتیب خورشید می‌تواند مقدار بیشتری از ماده‌ی تاریک را نسبت به زمین آشکار کند. این چگالی عظیم باعث می‌شود کاوشگرهای نزدیک به خورشید، این ذرات شبح‌وار را کشف کنند.

به گفته‌ی ماریانا سافروناوا، فیزیک‌دان دانشگاه دلور و یکی از مؤلفان پژوهش، کاوشگر پارکر ثابت کرد که می‌توان ماهواره‌ای را در فاصله‌ی بسیار نزدیکی از خورشید قرار داد و به اکتشافات جدیدی دست پیدا کرد.

دراصل، امواج ذرات فوق سبک ماده تاریک می‌توانند تغییراتی را در ثابت‌های بنیادین طبیعت، مانند جرم الکترون یا قدرت نیروهای الکترومغناطیسی ایجاد کنند. این اتفاق به‌نوبه‌ی خود نحوه‌ی تیک‌تاک ساعت‌های اتمی را تغییر می‌دهد؛ اثری که به اتم‌های مورد استفاده‌ی ساعت بستگی دارد. بنابراین شاید پژوهشگرها بتوانند با مقایسه‌ی چگونگی حفظ زمان در دو ساعت اتمی متفاوت نزدیک به خورشید، ماده‌ی تاریک را کشف کنند. آثار قابل مقایسه را می‌توان در ساعت‌های آینده موسوم به ساعت‌های هسته‌ای نیز مشاهده کرد که ممکن است حتی دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی باشند. ابی می‌گوید:

اگر ماده‌ی تاریک فوق سبک در مأموریتی این‌چنینی آشکار شود، مدرکی برای چگالی ماده‌ی تاریک در نزدیکی خورشید و همچنین ارتباط آن با ماده‌ی معمولی به دست می‌آید.

گفتنی است مأموریت SpaceQ نیاز به ساعت‌هایی دارد که هنوز در دست ساخت هستند. علاوه بر این حتی اگر این مأموریت بتواند سیگنال‌های ماده‌ی تاریک را کشف کند، پژوهشگرها برای صحت‌سنجی یافته‌ها نیاز به آزمایش‌های مستقلی دارند. با این‌حال به گفته‌ی سای، اگر بتوان ماده‌ی تاریک را در موقعیت‌های مختلف اندازه‌گیری کرد می‌توان نقشه‌ای از توزیع چگالی آن تهیه کرد و اگر سیگنال به سمت خورشید قوی‌تر شود نشانه‌ای برای کشف خواهد بود.

دانشمندان جزئیات پژوهش خود را پنجم دسامبر در مجله‌ی Nature Astronomy منتشر کردند.