11 سؤالا عن أكبر ألغاز الكون.. سر المادة المظلمة

في ثلاثينيات القرن العشرين، لاحظ عالم فلك سويسري يدعى فريتز زويكي أن المجرات الموجودة في عنقود بعيد كانت تدور حول بعضها البعض بشكل أسرع بكثير مما ينبغي لها بالنظر إلى مقدار الكتلة المرئية التي تمتلكها. واقترح أن هناك مادة غير مرئية، أطلق عليها اسم المادة المظلمة، قد تكون لها قوة جذب على هذه المجرات.

ومنذ ذلك الحين، يؤكد الباحثون أن هذه المادة الغامضة يمكن العثور عليها في جميع أنحاء الكون، وأنها أكثر وفرة بـ 6 مرات من المادة المعلومة التي تشكل الأشياء العادية مثل النجوم والكائنات الحية. ومع ذلك، على الرغم من رؤية المادة المظلمة في جميع أنحاء الكون، إلا أن العلماء ما زالوا في حيرة من أمرهم بشأنها. فيما يلي أكبر 11 سؤالًا لم تتم الإجابة عليها حول المادة المظلمة، حسب موقع مجلة لايف ساينس.

ما هي المادة المظلمة؟

أولاً، ما زال الباحثون غير متأكدين بشأن ماهية المادة المظلمة بالضبط. في الأصل، توقع بعض العلماء أن الكتلة المفقودة في الكون تتكون من نجوم صغيرة خافتة وثقوب سوداء، على الرغم من أن الملاحظات التفصيلية لم تظهر ما يكفي من هذه الأجسام لتفسير تأثير المادة المظلمة، كما قال الفيزيائي دون لينكولن من وزارة الطاقة الأمريكية.

يقول علماء مختبر الطاقة Fermilab إن المنافس الرئيسي الحالي لغطاء المادة المظلمة هو جسيم افتراضي يسمى "الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل"، أو WIMP، والتي من شأنها أن تتصرف مثل النيوترون إلا أنها ستكون أثقل بما يتراوح بين 10 و100 مرة من البروتون. ومع ذلك، فإن هذا التخمين لم يؤد إلا إلى المزيد من الأسئلة.

هل يمكننا اكتشاف المادة المظلمة؟

إذا كانت المادة المظلمة مصنوعة من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs)، فيجب أن تكون حولنا في كل مكان، وغير مرئية وبالكاد يمكن اكتشافها. فلماذا لم نجد أي شيء حتى الآن؟ على الرغم من أنها لا تتفاعل مع المادة العادية كثيرًا، إلا أن هناك دائمًا فرصة ضئيلة لاصطدام جسيم المادة المظلمة بجسيم عادي مثل البروتون أو الإلكترون أثناء انتقاله عبر الفضاء. لذلك، قام الباحثون ببناء تجربة تلو الأخرى لدراسة أعداد هائلة من الجسيمات العادية في أعماق الأرض، حيث تكون محمية من الإشعاع المتداخل الذي يمكن أن يحاكي اصطدام جسيمات المادة المظلمة. وبعد عقود من البحث، لم يتمكن أي من هذه الكاشفات من التوصل إلى دليل ذي مصداقية. في وقت سابق من هذا العام، أبلغت تجربة PandaX الصينية عن عدم اكتشاف WIMP الأحدث. يبدو من المحتمل أن تكون جسيمات المادة المظلمة أصغر بكثير من الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs)، أو أنها تفتقر إلى الخصائص التي تجعل من السهل دراستها، حسبما قال الفيزيائي هاي بو يو من جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد.

هل تتكون المادة المظلمة من أكثر من جسيم واحد؟

تتكون المادة العادية من جسيمات عادية مثل البروتونات والإلكترونات، بالإضافة إلى مجموعة كاملة من الجسيمات الأكثر غرابة مثل النيوترينوات والميونات والبيونات. لذلك، تساءل بعض الباحثين عما إذا كانت المادة المظلمة، التي تشكل 85% من المادة في الكون، قد تكون أيضًا معقدة بنفس القدر. قال الفيزيائي أندريه كاتز من جامعة هارفارد لموقع Space: "لا يوجد سبب وجيه للاعتقاد بأن كل المادة المظلمة في الكون مبنية من نوع واحد من الجسيمات".

وقال كاتز إن البروتونات المظلمة يمكن أن تتحد مع الإلكترونات المظلمة لتكوين ذرات داكنة، ما ينتج تكوينات متنوعة ومثيرة للاهتمام مثل تلك الموجودة في العالم المرئي. وبينما يتم تصور مثل هذه المقترحات بشكل متزايد في مختبرات الفيزياء، فإن اكتشاف طريقة لتأكيدها أو نفيها لا يزال بعيدًا عن العلماء حتى الآن.

هل قوى الظلام موجودة؟

إلى جانب الجسيمات الإضافية للمادة المظلمة، هناك احتمال أن تتعرض المادة المظلمة لقوى مماثلة لتلك التي تشعر بها المادة العادية. وبحث بعض العلماء عن "الفوتونات المظلمة"، التي ستكون مثل الفوتونات المتبادلة بين الجسيمات العادية التي تؤدي إلى ظهور القوة الكهرومغناطيسية. ويستعد الفيزيائيون في إيطاليا لتحطيم شعاع من الإلكترونات وجسيماتها المضادة، المعروفة باسم البوزيترونات، وتحويلها إلى ماس. إذا كانت الفوتونات المظلمة موجودة بالفعل، فيمكن لأزواج الإلكترون والبوزيترون أن تفني وتنتج واحدة من الجسيمات الغريبة الحاملة للقوة، ما قد يفتح قطاعًا جديدًا تمامًا من الكون.

هل يمكن أن تكون المادة المظلمة مكونة من أكسيونات؟

مع تراجع حب الفيزيائيين للجزيئات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs)، بدأت جسيمات المادة المظلمة الأخرى تحظى بالقبول. أحد البدائل الرائدة هو جسيم افتراضي يُعرف باسم الأكسيون، والذي سيكون خفيفًا للغاية، ربما يصل إلى 10 مرفوعًا للقوة 31، وهو أقل كتلة من البروتون. ويجري الآن البحث عن الأكسيونات في عدد قليل من التجارب. وأثارت عمليات المحاكاة الحاسوبية الحديثة احتمال أن تشكل هذه المحاور أجسامًا شبيهة بالنجوم، وربما تنتج إشعاعًا يمكن اكتشافه مشابهًا تمامًا للظواهر الغامضة المعروفة باسم رشقات الراديو السريعة.

ما هي خصائص المادة المظلمة؟

اكتشف علماء الفلك، المادة المظلمة، من خلال تفاعلاتها الجاذبية مع المادة العادية، ما يشير إلى أن هذه هي طريقتها الرئيسية في جعل وجودها معروفًا في الكون. ولكن عند محاولتهم فهم الطبيعة الحقيقية للمادة المظلمة، ليس لدى الباحثين سوى القليل مما يمكن أن يتابعوه.

وفقًا لبعض النظريات، يجب أن تكون لجسيمات المادة المظلمة جسيمات مضادة خاصة بها، ما يعني أن جسيمين من المادة المظلمة سوف يفنيان مع بعضهما البعض عندما يلتقيان. تبحث تجربة مطياف ألفا المغناطيسي (AMS) على محطة الفضاء الدولية عن العلامات الدالة على هذه العملية منذ عام 2011، واكتشفت بالفعل مئات الآلاف من الأحداث. لا يزال العلماء غير متأكدين مما إذا كانت هذه المادة قادمة من المادة المظلمة، ولم تساعدهم الإشارة بعد في تحديد ماهية المادة المظلمة بالضبط.

هل المادة المظلمة موجودة في كل مجرة؟

نظرًا لأنها تفوق المادة العادية بشكل كبير، يُقال غالبًا أن المادة المظلمة هي القوة المسيطرة التي تنظم الهياكل الكبيرة مثل المجرات وعناقيد المجرات. لذلك، كان الأمر غريبًا عندما أعلن علماء الفلك، في وقت سابق من هذا العام، أنهم عثروا على مجرة تسمى NGC 1052-DF2 والتي يبدو أنها لا تحتوي على أي مادة مظلمة على الإطلاق. وقال بيتر فان دوكوم من جامعة ييل لموقع سبيس في ذلك الوقت: "من الواضح أن المادة المظلمة ليست شرطًا لتكوين مجرة". ومع ذلك، خلال الصيف، نشر فريق منفصل تحليلًا يشير إلى أن فريق فان دوكوم أخطأ في قياس المسافة إلى المجرة، ما يعني أن مادتها المرئية كانت باهتة وأخف وزنًا بكثير من النتائج الأولى وأن كتلتها كانت في المادة المظلمة أكثر مما كانت عليه.

لغز تجربة DAMA/LIBRA؟

لغز طويل الأمد في فيزياء الجسيمات هو النتائج المحيرة للتجربة الأوروبية المعروفة باسم DAMA/LIBRA. ويقوم هذا الكاشف - الموجود في منجم تحت الأرض أسفل جبل جران ساسو في إيطاليا - بالبحث عن التذبذب الدوري في جسيمات المادة المظلمة. ومن المفترض أن ينشأ هذا التذبذب أثناء تحرك الأرض في مدارها حول الشمس وأثناء طيرانها عبر التيار المجري للمادة المظلمة المحيطة بنظامنا الشمسي، والتي تسمى أحيانًا رياح المادة المظلمة. منذ عام 1997، ادعى فريق DAMA/LIBRA أنه رأى هذه الإشارة بالضبط، على الرغم من أنه لم تشهد أي تجربة أخرى شيئًا كهذا.

هل يمكن أن تحتوي المادة المظلمة على شحنة كهربائية؟

دفعت إشارة من بداية الزمن بعض الفيزيائيين إلى اقتراح أن المادة المظلمة قد تحتوي على شحنة كهربائية. انبعث إشعاع بطول موجي يبلغ 21 سنتيمترًا من النجوم في بداية الكون، أي بعد 180 مليون سنة فقط من الانفجار الكبير. ثم تم امتصاصه بواسطة الهيدروجين البارد الذي كان موجودًا في نفس الوقت. وعندما تم اكتشاف هذا الإشعاع في فبراير من هذا العام، أشارت بصماته إلى أن الهيدروجين كان أكثر برودة بكثير مما توقعه العلماء. افترض عالم الفيزياء الفلكية جوليان مونيوز من جامعة هارفارد أن المادة المظلمة ذات الشحنة الكهربائية يمكن أن تسحب الحرارة بعيدًا عن الهيدروجين المنتشر في كل مكان، مثل مكعبات الثلج التي تطفو في عصير الليمون. لكن التخمين لم يتأكد بعد.

هل يمكن للجسيمات العادية أن تتحلل إلى مادة مظلمة؟

النيوترونات هي جسيمات مادة عادية ذات عمر محدود. وبعد حوالي 14.5 دقيقة، سيضمحل النيوترون الوحيد المنفصل عن الذرة إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو. لكن هناك إعدادين تجريبيين مختلفين يعطيان عمرًا مختلفًا قليلاً لهذا الاضمحلال، حيث يبلغ التناقض بينهما حوالي 9 ثوانٍ، وفقًا للتجارب المذكورة في دراسة أجريت في شهر يوليو في مجلة Physical Review Letters. في وقت سابق من هذا العام، اقترح الفيزيائيون أنه إذا كانت بعض النيوترونات تتحلل إلى جسيمات المادة المظلمة بنسبة 1% من الوقت، فقد يكون ذلك السبب في هذا الشذوذ. وراقب كريستوفر موريس من مختبر لوس ألاموس الوطني، في نيو مكسيكو، وفريقه، النيوترونات بحثًا عن إشارة يمكن أن تكون مادة مظلمة، لكنهم لم يتمكنوا من اكتشاف أي شيء. واقترحوا أن سيناريوهات الاضمحلال الأخرى قد لا تزال ممكنة، وفقًا للدراسة.

هل المادة المظلمة موجودة بالفعل؟

نظرًا للصعوبات التي واجهها العلماء أثناء محاولتهم اكتشاف المادة المظلمة وتفسيرها، فقد يتساءل البعض عما إذا كانوا مخطئين في الأمر. لسنوات عديدة، روجت أقلية من الفيزيائيين لفكرة مفادها أن نظرياتنا حول الجاذبية ربما تكون ببساطة غير صحيحة، وأن القوة الأساسية تعمل بشكل مختلف على المقاييس الكبيرة عما نتوقعه. غالبًا ما تُعرف هذه الاقتراحات باسم "ديناميكيات نيوتن المعدلة" أو نماذج MOND، وتفترض أنه لا توجد مادة مظلمة وأن السرعات الفائقة التي تُرى بها النجوم والمجرات اثناء دورانها حول بعضها البعض هي نتيجة لتصرف الجاذبية بطرق مدهشة. كتب الفيزيائي دون لينكولن في شرح لمجلة Live Science: لا تزال المادة المظلمة نموذجًا غير مؤكد». ومع ذلك، لا يزال يتعين على المنتقدين إقناع القطاع الأكبر بأفكارهم.