برخورد خوشه های کهکشانی، آشکارساز ماده تاریک_سیاه پوش

ماده تاریک با خود برهم‌کنش می‌کند؟ جواب امکان پذیر در خوشه‌های عظیم کهکشانی برخوردی نهفته باشد. ماده تاریک به نحوه مشهوری ضد اجتماعی است و از برهم‌کنش با نور و ماده عادی خودداری می‌کند و در نتیجه به طور موثر نامرئی است. اما چیزی که دانشمندان در رابطه آن یقین نیستند این است که آیا ماده تاریک با خود برهم‌کنش می‌کند. اگر هر ذره‌ای که ماده تاریک را راه اندازی می‌دهد با برخورد با یکدیگر و به گمان زیادً نابودی متقابل، برهم‌کنش کند.

به نقل از سرویس تحقیقات علمی رسانه فناوری تکنا، تحقیقات تازه مشخص می کند که خوشه‌های کهکشانی می‌توانند به گفتن شتاب‌دهنده‌های طبیعی ماده تاریک مورد منفعت گیری قرار گیرند. این روش تشخیص ماده تاریک به برخورد دو گروه عظیم از کهکشان‌ها با یکدیگر بستگی دارد.

از آنجایی که این خوشه‌های کهکشانی پر از ماده تاریک می باشند، ستاره‌شناسان می‌توانند این مکان‌های برخورد کیهانی را برای یافتن نشانه‌های احتمالی برهم‌کنش ماده تاریک با خود بازدید کنند. در حالی که این چنین سرنخی دقیقاً به ما نمی‌گوید که چه ذراتی ماده تاریک را راه اندازی خواهند داد، اما می‌تواند به حذف مدل‌های ماده تاریکی که برهم‌کنش خود را مجاز نمی‌دانند پشتیبانی کند و محققان را به کاندیدای واقعی ماده تاریک نزدیک‌تر کند.

جکی مک‌کلاری، استادیار فیزیک او گفت: «خوشه‌های کهکشانی نیز توسط ماده تاریک تحت سلطه می باشند. ۸۰ تا ۹۰ درصد جرم آن‌ها ماده تاریک است و هر چه جسمی پرجرم‌تر باشد، ذرات راه اندازی‌دهنده ماده تاریک سریع تر حرکت می‌کنند. شما اساساً در حال مطالعه برخوردهای با انرژی زیاد بالا هستید.»

آیا ذرات ماده تاریک “شبح‌های کیهانی” ضد اجتماعی می باشند؟ افتبرهم‌کنش‌ها یکی از چیزهایی است که فهمیدن ماده تاریک را زیاد چالش‌برانگیز می‌کند. با وجود این که ماده تاریک بیشتر از ۸۰ درصد از جهان مادی را راه اندازی می‌دهد و تأثیر گرانشی که به معنی واقعی کلمه از پراکندگی کهکشان‌ها جلوگیری می‌کند را فراهم می‌کند، اما به علت برهم‌کنش نکردن با نور، عملاً نامرئی است. به همین ترتیب، ذرات ماده تاریک همانند ارواح کیهانی از بین ذرات ماده عبور می‌کنند. این ویژگی‌های ضد اجتماعی دانشمندان را به این نتیجه رسانده است که ماده تاریک نمی‌تواند از اتم‌هایی راه اندازی شده باشد که از الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها راه اندازی شده‌اند، که با نور و یکدیگر برهم‌کنش می‌کنند. این کار جستجو برای یک ذره کاندیدای ماده تاریک مناسب را اغاز کرده است.

مک‌کلاری او گفت: «همه چیز در جهان یک ذره و یک موج و یک میدان است، به این علت فکر اولیه این است که ماده تاریک باید یک ذره باشد. سوال این است که چه نوع ذره‌ای، چون یک “ذره” زیاد مبهم است.» ذرات کاندیدا از «ذرات سنگین ضعیف برهم‌کنش» یا «WIMP» گرفته تا «اجرام فشرده هاله‌ای عظیم» یا «MACHO» (ما شما را می‌بینیم، دانشمندان)، تا ذرات کوچک و تقریباً بدون جرم به نام آکسین یا نوترینوهای استریل متغیر می باشند. حتی سیاه‌چاله‌های کوچک باقی‌مانده از انفجار بزرگ به نام سیاه‌چاله‌های اولیه نیز به گفتن کاندیداهای ماده تاریک معارفه شده‌اند. مشکل اینجاست که همه این مظنونین در تشخیص ناکامی خورده‌اند و به این علت هم چنان گیج‌کننده می باشند.

ماهیت شبح‌وار ماده تاریک به این معنی است که نمی‌توانیم فقط ذرات ماده تاریک را در یک شتاب‌دهنده ذرات روی زمین، همانند برخورددهنده بزرگ هادرونی (LHC)، بارگیری کنیم تا آن‌ها را با هم خرد کنیم و ترکیب آن‌ها را تعیین کنیم. به این علت، در حالی که LHC با شکستن پروتون‌ها و تماشای دوش‌های ذرات حاصل، برخی از اسرار مدل استاندارد فیزیک ذرات را کشف کرده است، اما ماده تاریک که فراتر از آن مدل قرار دارد، به نظر می‌رسد که برای قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات جهان غیرقابل دسترسی است.

تنها راهی که می‌توانیم وجود ماده تاریک را استنباط کنیم از طریق تنها برهم‌کنشی است که به نظر می‌رسد دچار آن است. ماده تاریک جرم دارد و به این علت فضا-زمان (یک وحدت چهار بعدی از زمان و فضا) را تحریف می‌کند که به آن یک تأثیر گرانشی می‌دهد. این تأثیر می‌تواند به ماده و نور معمولی بگوید که چطور حرکت کنند، و ما می‌توانیم آن را تشخیص دهیم. از طریق این رویکرد غیرمستقیم است که می‌دانیم کهکشان‌ها توسط هاله‌های عظیمی از ماده تاریک احاطه شده‌اند و ماده تاریک نیز در مقادیر زیاد در نزدیکی هسته‌های کهکشان‌ها وجود دارد.

دانشمندان این چنین نظریه خواهند داد که وقتی که کهکشان‌ها در خوشه‌های عظیم جمع خواهد شد، این نتیجه رشته‌های عظیمی از ماده تاریک نامرئی است که همانند تار نامرئی بافته شده توسط یک عنکبوت کیهانی در سراسر جهان گسترش می‌یابد. این تار کیهانی این چنین به کهکشان‌های منفرد پشتیبانی می‌کند تا جرم جمع کنند و رشد کنند، چون تأثیر گرانشی آن ماده معمولی را جذب می‌کند. مک‌کلاری و همکارانش نظر کردند که به جای یک شتاب‌دهنده ذرات ساخت دست بشر، از یک شتاب‌دهنده طبیعی منفعت گیری کنند. آن‌ها استدلال می‌کنند که اگر خوشه‌های کهکشانی و ماده تاریکی که با خود حمل می‌کنند با نیروی کافی برخورد کنند، برهم‌کنش‌های قابل تشخیص ماده تاریک می‌تواند رخ دهد – اگر واقعاً ماده تاریک با خود برهم‌کنش کند.

این برهم‌کنش‌ها می‌توانند به سادگی برخورد و برگشت ذرات ماده تاریک به یکدیگر باشند، یا می‌توانند تبدیل نابودی متقابل و یک فلش انرژی شوند. هنگامی که ذرات و ضد ذرات – برای مثالً یک الکترون و ضد ذره آن، به نام پوزیترون – با هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود می‌کنند و انرژی حاضر در آن‌ها آزاد می‌بشود. برخی مدل‌های ماده تاریک نشان خواهند داد که خود ضد ذره است، به این معنی که یک شکل از برهم‌کنش می‌تواند خود نابودی باشد که در تاثییر برخورد دو ذره ماده تاریک تشکیل می‌بشود.

برای آزمایش این ایده، تیم همانند‌سازی‌هایی از برخوردهای خوشه‌های کهکشانی را روی رایانه‌های قوی تشکیل کرد که به قدر کافی برای بازدید برخوردها تا سطح برهم‌کنش ذره به ذره تشکیل شد. این کار نیاز به برنامه‌نویسی همانند‌سازی با مدل‌های فیزیکی برهم‌کنش بین ستارگان، گاز و ماده تاریک داشت. با منفعت گیری از این همانند‌سازی و همانند‌سازی‌های شبیه، دانشمندان می‌توانند یک نقشه راه برای مشاهده برخوردهای واقعی ماده تاریک تشکیل کنند. از آنجا، محققان می‌توانند سرنخ‌هایی جمع‌آوری کنند که به آن‌ها پشتیبانی می‌کند برخی از ویژگی‌های پایه مورد نیاز یک ذره فرضی ماده تاریک را تعیین کنند. این می‌تواند مظنونین ماده تاریک را محدود کند.

مک‌کلاری او گفت: «اگر بتوانید برخی از برهم‌کنش‌های خود را اندازه‌گیری کنید، یا اگر بتوانید برخی از محدودیت‌های بالایی را تعیین کنید، در حال حذف یا قبول کلاس‌های ذراتی هستید که ماده تاریک می‌تواند باشد. اگر برخی از برهم‌کنش‌های خود را اندازه‌گیری کنید، بعد یک کلاس دیگر از ذرات را به همراه می‌آورید. شما به کلاس فرد دیگر از نظریه‌ها اجازه می‌دهید. این مقاله این چنین می‌گوید که اگر مجموعه ای از برای مثالً ۱۰۰ خوشه کهکشانی در حال ادغام را مطالعه کنید، شانس اندازه گیری برهم کنش خود ماده تاریک تا اغاز ای دارید.»