يُكوِّن الكون أكثر مما تراه العين. بينما تكشف التلسكوبات عن عدد لا يحصى من المجرات، كل واحدة تحتوي على مليارات من النجوم، يعتقد الفيزيائيون وعلماء الفلك أن المادة المرئية ليست سوى قمة الجليد، إذا جاز التعبير، وأن هناك نوعًا من المادة المظلمة يجب أن يكون موجودًا أيضًا، حيث تمثل نحو 85 في المئة من كتلة الكون. لا أحد يعرف مما تتكون المادة المظلمة، ولكن العلماء واثقون أنها شيء لا يتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل الضوء—وإلا لكنا قادرين على رؤيتها. لكن عقودًا من البحث فشلت في تحقيق أي اكتشافات مباشرة لهذه المادة المظلمة، مما ترك الباحثين يتساءلون عما إذا كانوا بحاجة لتوسيع استراتيجيات البحث الخاصة بهم، أو ربما إعادة التفكير في كيفية عمل الجاذبية.

<>

تعود القضية لدعم وجود المادة المظلمة إلى ثلاثينيات القرن الماضي، عندما قام علماء الفلك بتحليل معدلات دوران المجرات ووجدوا أنه لا يوجد ما يكفي من المادة المرئية لتفسير معدلات الدوران الملحوظة. هذه ما يعرف بـ منحنيات الدوران، التي ترسم السرعة التي تتحرك بها النجوم كدالة لمسافتها من مركز المجرة، لم يكن بالإمكان تفسيرها بناءً على كمية النجوم والغاز والغبار المرئي داخل كل مجرة.

<>

منذ ذلك الحين، جاءت أدلة إضافية من دراسة تجمعات المجرات. يمكن أن يكون شكل التجمع مشوهاً بسبب التأثير الجاذبي لمادة غير مرئية بين الأرض والتجمع. يُعرف هذا التأثير باسم “تأثير العدسة الجاذبية”، مما يدعم الفكرة القائلة بوجود المادة المظلمة. في بعض الأحيان، يتم ملاحظة تجمعات المجرات وهي تصطدم ببعضها البعض؛ يمكن أن تكشف الملاحظات الدقيقة لديناميات الاصطدام عن وجود مادة غير مرئية ترافق كلا العضوين من الزوج. يمكن رؤية هذا التأثير بشكل أكثر دراماتيكية في ما يُعرف بـ تجمع الرصاص، وهو زوج من تجمعات المجرات المتصادمة يقع على بعد حوالي 3.7 مليار سنة ضوئية من مجرتنا درب التبانة، والذي يبدو أنه يظهر نتيجة اصطدام تجمع بتجمع آخر. تشير المحاكاة الحاسوبية للاصطدام إلى أن المادة المظلمة ساهمت في العملية بقدر مساهمة المادة العادية. تأتي خط أدلة آخر من ملاحظات الخلفية الكونية الميكروويفية، الإشعاع المتبقي من الكون في مراحله الأولى جداً، والذي يمكن دراسته باستخدام التلسكوبات الراديوية. يُظهر هذا الإشعاع، الذي يمتد عبر السماء بأكملها، “نقاط ساخنة” و”باردة” – مناطق من إشعاع أكثر كثافة وأقل كثافة – والتي يصعب تفسيرها دون الاستعانة بفكرة المادة المظلمة.

<>

على الرغم من أن هذه الملاحظات كانت مثيرة للاهتمام، إلا أنها جميعها غير مباشرة؛ لا يزال الباحثون يرغبون في التقاط جزيئات المادة المظلمة بشكل مباشر.

على مدى العقود القليلة الماضية، كانت النظرية الرائدة هي أن المادة المظلمة تتكون من “جزيئات ضخمة تتفاعل بشكل ضعيف”، أو WIMPs—وهي جزيئات أولية يُعتقد أنها خُلقت قبل حوالي 14 مليار سنة في زمن الانفجار العظيم. اليوم، من المفترض أن هذه الجزيئات مبعثرة في جميع أنحاء الكون، ولكن نظرًا لأنها تتفاعل بشكل ضعيف فقط مع المادة العادية، فإنها من الصعب جدًا اكتشافها. وعلى الرغم من أن العديد من التجارب المتقدمة قد كانت تبحث عن WIMPs، لم يظهر أي أثر قاطع—مما جعل بعض العلماء يتساءلون عما إذا كانت المادة المظلمة قد تكون مصنوعة من شيء آخر تمامًا.

“أعتقد أن الجسيمات الضعيفة المعروفة بـ WIMPs بدأت تفقد شعبيتها”، يقول شون تولين، الفيزيائي النظري في جامعة يورك في تورونتو. بينما لا يزال البحث عن هذه الجسيمات الهاربة مستمراً، يقول إن العديد من زملائه “سعداء جداً لاستكشاف بدائل أخرى.”

يتجه العلماء الآن إلى مجموعة واسعة من استراتيجيات البحث – وقائمة أطول من المرشحين المحتملين لمادة الظلام – في محاولة لكشف الغموض الذي دام قرابة القرن.

بينما لم تنجح أي من عمليات البحث عن مادة الظلام في المختبر حتى الآن، تمكن الفيزيائيون من تحديد نطاق الكتل التي قد تمتلكها جسيمات المادة المظلمة. في أغسطس، أعلن الباحثون في تجربة LUX-ZEPLIN، الواقعة في منشأة سانفورد للأبحاث تحت الأرض في جنوب داكوتا، أنهم قد استبعدوا WIMPs بكتل أكبر من حوالي عشرة أضعاف كتلة البروتون. النتائج حساسة بحوالي خمس مرات أكثر من أي بحث سابق عن WIMP.

<>

تقول تريسي سلايتير، الفيزيائية النظرية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إن نتيجة LUX-ZEPLIN “هي إنجاز تقني رائع”. “من المremarkable أنهم استطاعوا دفع الحد إلى هذا الحد.”

بينما تستبعد نتيجة LUX-ZEPLIN وجود WIMPs الثقيلة، لا يزال من الممكن أن تكون هناك WIMPs أخف وزنًا. وبينما ستستمر التجارب الأكثر حساسية في البحث عن WIMPs خفيفة الوزن، فإنها ستواجه حتمًا حدًا طبيعيًا: في النهاية، ستكون هذه التجارب حساسة جدًا لدرجة أنها ستكتشف النيترينوات، وهي جزيئات دون ذرية شبه عديمة الكتلة تُنتج في نواة الشمس وفي بيئات الفلكية عالية الطاقة الأخرى. يشير الباحثون إلى هذا الحد باسم “أرضية النيترينو”.

“في النهاية سنصل إلى النقطة التي يصبح فيها الخلفية [الإشارة] من النيوترينوات تغمر فعليًا الإشارة من المادة المظلمة”، تقول مريم دايموند، الفيزيائية التجريبية في جامعة تورونتو. عندما يصل الفيزيائيون إلى تلك المرحلة، سيتم فقدان أي جسيمات من المادة المظلمة قد تُكتشف في بحر من اكتشافات النيوترينوات.

بينما يقترب الباحثون أكثر فأكثر من هذه النقطة، فإنهم يفكرون بطبيعة الحال في مرشحين آخرين للمادة المظلمة بخلاف WIMPs.

“كانت هناك نقطة كان الناس متأكدون فيها إلى حد كبير أن [جسيم المادة المظلمة] هو WIMP، وكانت تلك قصة جميلة”، يقول سلايتر. “لكنني لا أعتقد أن أي شخص يعتقد بعد ذلك أنه يجب أن يكون WIMP بالضرورة.”

<>

تم اقتراح العديد من المرشحين المحتملين للمادة المظلمة، من الجسيمات الغريبة المعروفة باسم الأكسيونات إلى الثقوب السوداء البدائية، إلى نوع افتراضي جديد من النيوترينوات المعروف باسم النيوترينو المعقم. قد تتكون المادة المظلمة أيضًا من أكثر من نوع واحد من الجسيمات، حيث يقترح العلماء وجود “قطاع مظلم” كامل، يتكون من أنواع متعددة من جسيمات المادة المظلمة.

“نحتاج إلى أخذ فكرة أن ما نسميه ‘مادة مظلمة’ قد يكون في الواقع أنواع متعددة من جسيمات المادة المظلمة” يقول دايموند. “إنها تشبه إلى حد ما بوكيمون. يجب عليك التقاطها جميعًا.”

من بين المرشحين غير WIMP، قد تكون الأكسونات هي المفضلة الجديدة. تم الافتراض لأول مرة بوجود الأكسونات في السبعينات، عندما كان الفيزيائيون يطورون نموذج القياس القياسي لفيزياء الجسيمات—الإطار الذي يصف الجسيمات الأساسية المعروفة وتفاعلاتها. الأكسون—إذا كان موجوداً—سوف يحل بعض الألغاز المتعلقة بالقوة النووية الشديدة، التي تربط النوى الذرية معاً.

مثل WIMPs، يُعتقد أن الأكسونات قد تم إنتاجها في الكون المبكر جداً. مع مرور الوقت، ستتجمع معاً، حيث ستوجه الجاذبية المتزايدة لهذه التجمعات تطور المجرات—كما يُعتقد أن المادة المظلمة تفعل. لكن يُعتقد أن الأكسونات أخف حتى من WIMPs، وبالتالي فهي صعبة الاكتشاف بشكل مماثل.

“الأكسيونات تُنتج بشكل طبيعي في الكون المبكر بوفرة كافية لتفسير جميع مادة الظلام اليوم”، يقول بيتر جراهام، عالم الفيزياء النظرية في جامعة ستانفورد. “الحقيقة أن وزنها أخف بكثير من WIMPs يعني فقط أن كثافتها العددية يجب أن تكون أعلى بكثير، من أجل الحصول على الكثافة الطاقية الملاحظة لمادة الظلام.”

اليوم، تبحث مختبرات مختلفة عن الأكسيونات، ولكن دون نتائج حاسمة حتى الآن.

بينما يسعى الفيزيائيون للبحث عن المادة المظلمة في المختبرات، لدى علماء الفلك استراتيجياتهم الخاصة للبحث عن أدلة على المادة المظلمة في الفضاء العميق. تشير ملاحظاتهم إلى أن معظم المجرات، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة، محاطة بـ “هالات” من المادة المظلمة – قذائف كروية من المادة المظلمة تمتد بعيدًا عن الجزء المرئي من المجرة. على الرغم من أن هذه الهالات غير مرئية، إلا أنه يمكن دراسة المادة المظلمة المجرية بشكل غير مباشر. على سبيل المثال، ستبحث جيل جديد من التلسكوبات الفضائية عن علامات على تصادم جزيئات المادة المظلمة مع بعضها البعض؛ مثل هذه التصادمات ستنتج انفجارات من الإشعاع عالي الطاقة يمكن مراقبتها باستخدام تلسكوبات أشعة غاما. استراتيجية أخرى هي دراسة مناطق شبيهة بالشريط من النجوم المعروفة باسم “تدفقات نجمية” في محيط مجرتنا. يمكن أن تكشف متابعة مواقع وحركة هذه التدفقات عن كيفية توزيع المادة المظلمة في المجرة.

<>

“الكثير من فيزيائيي الجسيمات أصبحوا فيزيائيين فلكيين، لأن هناك الكثير من الألغاز المثيرة للاهتمام، المتعلقة بالمادة المظلمة، وهناك أيضًا الكثير من البيانات الجديدة التي ستأتي قريبًا”، يقول تولين. “لذلك يوجد حماس كبير في مجتمع الفيزياء الفلكية.”

---

احتمالية أخرى – تُعتبر نوعًا ما بعيدة المنال – هي أن المادة المظلمة قد لا توجد بالفعل، وبدلاً من ذلك، هناك شيء يتعلق بالجاذبية لا نفهمه تمامًا. أفضل نظرية لدينا للجاذبية هي النسبية العامة، التي طورها ألبرت أينشتاين قبل أكثر من 100 عام؛ وقد اجتازت حتى الآن كل اختبار بألوان زاهية. لكن هذا لم يمنع بعض المنظرين من اقتراح أنه ينبغي تعديلها: ربما إذا تم تعديل معادلات أينشتاين قليلاً، ستختفي مشكلة المادة المظلمة ببساطة. لا ويمبس، لا أكسيونات – فقط تعديل طفيف لبعض المعادلات القديمة. لكن الفيزيائيين الذين درسوا الأدلة على وجود المادة المظلمة يقولون إن الأمر ليس بهذه البساطة. في حين أن نظرية الجاذبية المعدلة قد تفسر منحنيات دوران المجرات، يقولون إنه لا توجد طريقة مباشرة لشرح البيانات المستمدة من ملاحظات تجمعات المجرات، ومن انحناء الجاذبية، ومن الخلفية الإشعاعية الكونية، وكلها تشير نحو المادة المظلمة غير المرئية.

“أعتقد أن تعديل الجاذبية أمر جذاب لأنه يبدو أبسط من افتراض وجود قطاع كامل آخر من الجسيمات – لكنني أعتقد أن هذه حجة خاطئة حقًا”، يقول تولين. “الحلقات التي تحتاج إلى القفز من خلالها لكي تعمل الجاذبية المعدلة تتبين أنها أكثر تعقيدًا بكثير مقارنةً بمجرد افتراض أن الكون يحتوي على هذا المكون الإضافي، الذي يعمل بشكل جيد حقًا لشرح العديد من الملاحظات المختلفة.”

في الوقت الحالي، يبدو أن الفيزيائيين متحمسون لدقة التجارب الأخيرة – ولم يتم استبعاد WIMPs، المفضلة منذ فترة طويلة – وهم أيضًا محبطون من عدم وجود أي نتائج مختبرية حاسمة، حتى بعد عقود من البحث.

بالنسبة للعديد من علماء الفلك والفيزياء، فإن فهم المادة المظلمة هو أكثر المشاكل إلحاحًا التي تدفع أبحاثهم. على أقل تقدير، فإن حل لغز المادة المظلمة سيسلط الضوء على الفيزياء الأساسية للكون، كما تقول سلاتير. “أعتقد أنه سيكون إنجازًا عظيمًا للفضول البشري، إذا تمكنا من حل هذا اللغز”، تقول. “من الواضح أنني أفضل أن يستغرق الأمر سبع سنوات بدلاً من 70 سنة.”

المصدر: المصدر