ماده تاریک کهکشان راه شیری کجا است؟

یکی از روش‌های بررسی ماده تاریک، بررسی هاله‌ی پس‌زمینه‌ی پرتوایکس در کهکشان‌ها است؛ اما طبق برخی پژوهش‌ها، کهکشان راه شیری فاقد این درخشش است.

براساس بررسی‌های جدید، احتمالا هاله‌ی عجیب پرتوایکس که در کهکشان‌های دیگر کشف شده، در راه شیری وجود ندارد. بسیاری از فیزیک‌دانان درباره‌ی نبود این هاله‌ی درخشان مشکوک هستند؛ اما اگر واقعا این هاله‌ی درخشان در راه شیری وجود نداشته باشد، می‌تواند ثابت کند ماده‌ی تاریک از ذرات فرضی استریل نوترینو تشکیل شده است. استریل نوترینوها همتایان روح‌مانند نوترینوهای زیراتمی هستند که وجود آن‌ها هنوز قطعی نشده است. پژوهشگران بررسی یادشده در تلاشی متفاوت به‌دنبال هاله‌ی درخشان راه شیری هستند. نیکولاس راد، اختیرفیزیک‌دان دانشگاه برکلی کالیفرنیا و یکی از پژوهشگران این بررسی می‌گوید:

از دیدگاه علمی، دریافت بازخوردهای مثبت و منفی طبیعی است. برخی افراد جست‌وجوی نوترینو ازطریق پرتوایکس را پیشنهاد می‌دهند؛ اما روش ما جدیدتر است. حالا ممکن است شخص دیگری بگوید ایده‌ی جدیدی دارم که با روش ما متفاوت است. باید مشکوک بود و معتقدم این واکنش کاملا طبیعی است.

^{تصویر تلسکوپ فضایی هابل از سحابی لاگون، بخش کوچکی از ماده‌ی مرئی در کهکشان راه شیری}

جست‌وجوی نامرئی

ماده‌ی تاریک بزرگ‌ترین ماده‌ی ناشناخته در جهان است. دانشمندان با مشاهده‌ی آثار گرانشی این ماده در کهکشان‌ها از وجود آن مطمئن هستند؛ زیرا ستاره‌ها و گازهای مرئی به‌اندازه‌ی کافی سنگین نیستند که بتوانند کهکشان‌ها را با یکدیگر ادغام کنند. به‌عقیده‌ی اخترفیزیک‌دانان، هاله‌های نامرئی ماده‌ی تاریک در کهکشان‌ها تقریبا ۸۵ درصد جرم جهان را تشکیل می‌دهند؛ اما پژوهشگران و دانشمندان هنوز نمی‌دانند ماده‌ی تاریک دقیقا از چه چیزی تشکیل شده است.

طبق برخی نظریه‌ها، ماده‌ی تاریک از ذره‌های نسبتا سنگینی به‌نام WIMPS تشکیل شده است. برخی دیگر معتقدند این ماده حاوی ذرات بسیار سبکی به‌نام آکسیون است. حتی برخی نظریه‌های عجیب و نه‌چندان محبوب، سیاه‌چاله‌های کوچک را مؤلفه‌های تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌ی تاریک می‌دانند؛ اما یکی از ساده‌ترین نظریه‌ها، مدل نوترینو است. نوترینوها ذرات بسیار سبکی هستند که در فضا پراکنده شده‌اند و واکنش بسیار کمی با ذرات دیگر دارند.

تا امروز سه نوع نوترینو کشف شده‌ است: الکترون نوترینو و میون نوترینو و تاو نوترینو. بااین‌حال، برخی فیزیک‌دانان به وجود نوع چهارمی از نوترینوها هم شک دارند: استریل نوترینو. استریل نوترینو نوع سنگین‌تری از نوترینو است که فقط ازطریق جاذبه و پس از فروپاشی با ذرات دیگر واکنش می‌دهد و به‌دلیل سنگینی، مانند نوترینوهای دیگر در فضا حرکت نمی‌کند؛ درنتیجه، نوترینوهای استریل نه‌تنها از یکدیگر جدا نمی‌شوند؛ بلکه ابرهایی تشکیل می‌دهند که می‌توانند هاله‌های ماده‌ی تاریک باشند.

تفاوت بزرگ دیگری بین استریل نوترینوها و دیگر کاندیدهای ماده‌ی تاریک وجود دارد: استریل نوترینوها به‌مرور‌زمان به ذرات شناخته‌شده مثل فوتون‌های پرتوایکس تجزیه می‌شوند. پژوهشگران در دهه‌ی ۱۹۹۰ و اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰، نشان دادند تجزیه‌ی هاله‌های استریل نوترینو به تولید درخششی خفیف در یکی از طول موج‌های طیف پرتوایکس منجر می‌شود. تیمی از پژوهشگران در سال ۲۰۱۴ با درنظرگرفتن پرتوایکس کشف‌شده از ۷۳ خوشه‌ی کهکشانی مختلف، ظاهرا موفق شدند چنین درخششی را در طیفی مشخص بیابند: درخشش خفیف نور پرتوایکس در سطح انرژی ۳/۵ کیلوالکترون‌ولت. keV یا کیلوالکترون‌ولت مقیاسی برای ارزیابی سطح انرژی ذراتی است که نور تولید می‌کنند.

وجود درخشندگی‌ها یا خطوط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی در دیگر گروه‌های کهکشانی هم ثابت شده است. گرچه در برخی پژوهش‌ها، به‌ویژه بررسی کهکشان Draco، چنین نتیجه‌ای به‌دست نیامد، به‌عقیده‌ی پژوهشگران در مقاله‌ای جدید، خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی در درخشان‌ترین و نزدیک‌ترین منبع ماده‌ی تاریک، یعنی کهکشان راه شیری، دیده نشده است. تیمی از پژوهشگران دانشگاه میشیگان و دانشگاه برکلی و آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی نیز به مجموعه‌های ضبط‌شده از تلسکوپ‌های قدیمی پرتوایکس مراجعه کردند و تصاویر پرتوایکس از آسمان خالی را انتخاب کردند. آسمان خالی به بخش‌هایی از کهکشان راه شیری گفته می‌شود که هیچ ستاره‌ای در آن وجود ندارد؛ اما میزبان ماده‌ی تاریک است.

^{مقایسه‌ی سطوح پرتوایکسی که دانشمندان کشف کرده‌اند (ضربدرهای سیاه) با پرتوایکس قابل انتظار برای خط ۳/۵ kev (خطوط قرمز)}

برای تأیید علامت ماده‌ی تاریک، وجود خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی ضروری است. تیم یادشده معتقد است کهکشان راه شیری قطعا ماده‌ی تاریک دارد و به‌دلیل نزدیکی به‌طورحتم به وجود آن در داده‌ها پی خواهند برد؛ زیرا به‌طورطبیعی دیدن چراغ بزرگی در اتاق‌خواب راحت‌تر از LED کوچکی در کیلومترها آن‌طرف‌تر است. این فرضیه نشان می‌دهد خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی علامت وجود ماده‌ی تاریک نیست؛ به‌همین‌دلیل، نظریه‌ی استریل نوترینو را رد می‌کند. بااین‌حال، یافته‌های مذکور نتوانستند همه را قانع کنند. کیورک آبازاجیان، یکی از پژوهشگران خط ۳/۵ کیلو‌الکترون‌ولتی و رئیس مرکز کیهان‌شناسی دانشگاه ایروین کالیفرنیا می‌گوید:

مشکل اصلی اینجا است که آن‌ها از روش‌هایی استفاده می‌کنند که قبلا در جامعه‌ی نجوم پرتوایکس کاربردی نداشته است و دلایلی برای استفاده‌نکردن از این روش‌ها وجود دارد.

پژوهش جدید با تکیه بر ۸۳ هزار ساعت رصدهای تلسکوپی منتشر شده است؛ اما داده‌ها از فرکانس‌های بسیار محدود بین ۳/۳ و ۳/۸ کیلوالکترون‌ولت به‌دست آمده‌اند. اختلاف انرژی بین داده‌ها تقریبا ۰/۱ کیلوالکترون‌ولت است؛ بنابراین پژوهشگران، تنها می‌توانند مجموعه‌ای محدود از فرکانس‌ها را در داده‌های خود تفکیک کنند. داده‌های آن‌ها مانند تصویری با عرض پنج پیکسل است که با دوربینی بسیار دقیق گرفته شده است. کیفیت تصویر بسیار مطلوب است؛ اما جزئیات زیادی را نشان نمی‌دهد.

خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی انرژی ممکن است نشانه‌ی صحیح شناسایی ماده‌ی تاریک نباشد

به‌اعتقاد مؤلفان پژوهش یادشده، با وجود اختلاف کم انرژی در تصویر، خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی باید در وسط آن ظاهر شود؛ اما ازآنجاکه این خط در داده‌ها دیده نشده است، در کهکشان راه ‌شیری وجود ندارد. راد می‌گوید:

ازآنجاکه ما ستاره‌شناسان پرتوایکس نیستیم، از روش‌های آماری دیگر حوزه‌ها برای این بررسی استفاده کردیم که بسیار دقیق‌تر و پایدارتر هستند.

دانشمندان از نجوم پرتوی گاما و انواع فیزیک ذرات در شتاب‌دهنده‌ی بزرگ ذرات اروپا برای مقاله‌ی خود استفاده کردند؛ اما ستاره‌شناسان پرتوایکس به این روش‌ها بدگمان هستند. به‌گفته‌ی آبازاجیان، استفاده از طیف بسیار محدود انرژی می‌تواند نتایج نامطمئنی به‌بار بیاورد.

مشکل اینجا است که اگر خطی وجود داشته باشد، مانند نقطه‌ای درخشان در پس‌زمینه‌ی تاریک به‌نظر نمی‌رسد نور پس‌زمینه‌ی پرتوایکس در بسیاری از کهکشان‌ها یا اتم‌های پراکنده در آسمان و حتی از پرتوهای کیهانی دیده شده است. به‌همین‌دلیل، قبل از ظاهرشدن خطی رصدشدنی، نیاز به درک عمیقی از داده‌ها وجود دارد. سه منبع دیگر پرتوایکس در طیف محدودی از پژوهش‌ها قرار می‌گیرند: اتم‌های آرگون ۱۸ و سولفور ۱۶ در آسمان و سپس منبع دیگری به‌نام پتاسیم k. بااین‌همه، مشکل اصلی‌تر این است که پژوهشگران با بررسی طیف فرکانس محدود نمی‌توانند به‌درستی پس‌زمینه را شناسایی کنند.

راد نظر متفاوتی دارد. او معتقد است بررسی بخش وسیع‌تری از طیف پرتوایکس ازجمله ویژگی‌های غیرمرتبط با خط ۳/۵ kev می‌تواند به اعوجاج و انحراف در مدل تابش پس‌زمینه‌ی پرتوایکس کهکشان راه شیری منجر شود؛ درنتیجه، جداسازی خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی از ‌پس‌زمینه دشوار می‌شود.

یافته‌‌های متناقض

گروه متفاوتی از پژوهشگران ازجمله ستاره‌شناسان پرتوایکس، در مقاله‌ای دیگر که نسخه‌ی پیش‌انتشار آن در فوریه‌ی ۲۰۱۹ منتشر شد، بخش عریض‌تری از طیف پرتوایکس را در بررسی‌های خود لحاظ کردند. آن‌ها با استفاده از تکنیک‌های رایج و مقبول، به‌دنبال خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی در کهکشان راه‌ شیری رفتند و آن را پیدا کردند. تیم تایت، رئیس بخش فیزیک و نجوم دانشگاه ایروین کالیفرنیا، دراین‌باره می‌گوید:

مؤلفه‌ی اصلی این پژوهش افزایش دقت بررسی است؛ بنابراین، نتیجه‌ی نهایی دستیابی به سیگنال ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی است.

تایت، فیزیک‌دان ذرات با تخصص در زمینه‌ی ماده‌ی تاریک است که با پرتوایکس کار نکرده و یکی از ناظران پژوهش محسوب می‌شود و مانند آبازاجیان از منتقدان اصلی پژوهش یادشده نیست. او می‌گوید:

آن‌ها در کار خود بسیار دقیق عمل می‌کنند و هرچه تحلیل پیش می‌رود، هیچ مشکلی در کارشان دیده نمی‌شود؛ اما معتقدم بهتر است بررسی‌ها روی طیف وسیع‌تری از فرکانس‌ها انجام شوند.

با وجود بدگمانی‌ها، راد معتقد است خط ۳/۵ کیلوالکترون‌ولتی به‌دست‌آمده در پژوهش او از نوع ماده‌ی تاریک استریل نوترینو نیست و این نتیجه زمینه‌ساز سؤال دیگری است: عامل تولید خط در کهکشان‌ها چیست؟

یکی از مشکلات این پژوهش، کیفیت ناامیدکننده‌ی داده‌های پرتوایکس از مناطق خالی آسمان است. تلسکوپ‌های فعلی پرتوایکس قدرت تفکیک انرژی مناسب برای چنین پژوهش‌هایی را ندارند. شاید تلسکوپ ماهواره‌ای ژاپنی، یعنی هیتومی، می‌توانست این مشکل را حل کند؛ اما ارتباط این تلسکوپ با زمین پس از پرتاب در سال ۲۰۱۶ قطع شد و حداقل تا اواخر دهه‌ی ۲۰۲۰ ابزار مناسبی برای کشف دقیق پرتوهای ایکس پرتاب نخواهد شد. تا زمان دستیابی به ابزار و داده‌های باکیفیت‌تر، پژوهشگران به انتظار و بحث و جدول‌های خود ادامه خواهند داد.