ما زلنا لا نستطيع رؤية المادة المظلمة. ولكن ماذا لو كنا نستطيع سماع ذلك؟

المادة المظلمة هي المادة الأكثر غموضًا وانتشارًا في الكون، وهي غير مرئية فعليًا. وهذا ببساطة لأنه لا يتفاعل مع الضوء. ولكن ماذا لو بدلاً من محاولة رؤية المادة المظلمة، حاول العلماء سماعها بدلاً من ذلك؟

يشير بحث جديد إلى أن المادة المظلمة يمكن أن تترك بصمة صغيرة ولكن يمكن تمييزها في نشاز التموجات في الزمكان تسمى “موجات الجاذبية“هذا الرنين عبر الكون عندما اثنان الثقوب السوداء انتقد معا ودمج. ومع ذلك، هذا فقط إذا كانت الثقوب السوداء الدوارة قادرة على “تخضير” المادة المظلمة مثل الزبدة الكونية. (سنصل إلى ذلك قريبا.)

يقترح الفريق الذي يقف وراء هذا البحث الجديد أنه إذا اندمج ثقبان أسودان في منطقة من الفضاء مأهولة بسحب كثيفة من المادة المظلمة، فإن موجات الجاذبية الخارجة من الحدث يمكن أن تحمل بصمة المادة المظلمة عبر الكون. ويقولون إنه من الممكن أن تتمكن أجهزة الكشف لدينا من العثور على تلك البصمة. قد يكون هذا مشابهًا لسعال شخص ما في حفل لفرقة Metallica، ولا يمكن تمييز هذا السعال إلا بسبب غضب أغنية “Seek and Destroy” أو “Master of Puppets” باستخدام الآلات الأكثر حساسية.

لحسن الحظ، عندما يتعلق الأمر باكتشاف موجات الجاذبية الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء، فإن الأدوات البشرية، مثل ليغو (مرصد موجات الجاذبية بمقياس التداخل الليزري)، أصبحت أكثر حساسية طوال الوقت. واستعدادًا للوقت الذي يمكن فيه تسجيل هذه البصمات بسهولة أكبر في بيانات موجات الجاذبية، طور هذا الفريق طريقة تتنبأ بالشكل الذي يجب أن تتخذه موجة الجاذبية عند التحرك عبر المادة المظلمة، بدلاً من الفضاء الفارغ.

“إن استخدام الثقوب السوداء للبحث عن المادة المظلمة سيكون أمرًا رائعًا”، يقول عضو الفريق رودريجو فيسنتي، الباحث في GRAPPA (فيزياء الجاذبية الفلكية في أمستردام). قال في بيان. “سنكون قادرين على سبر المادة المظلمة بمقاييس أصغر بكثير من أي وقت مضى.”

لا أستطيع أن أصدق أنها ليست زبدة

تمثل المادة المظلمة مثل هذا اللغز، لأنه على الرغم من كونها غير مرئية بالنسبة لنا، إلا أنها لا تزال “تتفوق” على المادة العادية بنسبة حوالي خمسة إلى واحد.

ويعني افتقارها للتفاعل مع الضوء أنها لا يمكن أن تتكون من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، وهي الجسيمات التي تشكل الذرات. وذلك لأن الذرات تشكل كل “المادة العادية” التي نراها حولنا، من النجوم والكواكب إلى الجهاز الذي تقرأ عليه هذه المقالة وأجسادنا. وبعبارة أخرى، الذرات يفعل تتفاعل مع الضوء (بشكل أكثر تقنية، الإشعاع الكهرومغناطيسي). في الواقع، الطريقة الوحيدة التي يعرف بها علماء الفلك وجود المادة المظلمة هي من خلال تفاعلها مع الجاذبية والطريقة التي يؤدي بها هذا التفاعل إلى انحناء الزمكان، مما يؤثر بشكل غير مباشر على المادة العادية والضوء.

وبهذه المعرفة، كان العلماء يبحثون عن جسيمات خارج نطاق الكون النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات وهذا يمكن أن يفسر المادة المظلمة. تمتلك هذه الجسيمات نطاقًا واسعًا من الكتل والخصائص المحتملة، مع وجود جسيم افتراضي واحد هو “العددية الضوئية” التي يُقترح أن تكون كتلتها أصغر بكثير من كتلة الإلكترون. إحدى خصائص العددية الضوئية هي حقيقة أن المادة المظلمة المكونة من هذه الجسيمات تتصرف مثل موجات منسقة حول الثقوب السوداء.

حول ثقب أسود دوار، ستنتقل الطاقة الدورانية إلى مادة مظلمة عددية خفيفة، مما يؤدي إلى تضخيم كثافتها، تمامًا مثل مجداف يحول الكريمة إلى زبدة. إذا أصبحت “زبدة” المادة المظلمة هذه كثيفة بدرجة كافية، فقد تؤثر على موجات الجاذبية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء، مما يترك بصمة واضحة.

بعد تحديد الشكل الذي سيبدو عليه هذا التوقيع، بحث فيسنتي وزملاؤه في البيانات التي جمعها مرصد LIGO وزملاؤه من كاشفات موجات الجاذبية، KAGRA (كاشف موجات الجاذبية Kamioka) وVirgo، مع التركيز على 28 من أوضح الإشارات الصادرة عن اندماج الثقوب السوداء. ويبدو أن 27 منها قد جاءت نتيجة عمليات اندماج حدثت في الفراغ النسبي للفضاء. ومع ذلك، هناك إشارة واحدة، GW190728، سُمعت لأول مرة في 19 يوليو 2019، وكانت نتيجة اندماج ثقوب سوداء ثنائية بكتلة مجتمعة تبلغ 20 مرة كتلة الشمس وتقع على بعد 8 مليارات سنة ضوئية، ويبدو أنها تحمل الأثر الواضح لهذا الاندماج الذي يحدث في منطقة كثيفة من المادة المظلمة “الزبدانية”.

يسارع الفريق الذي يقف وراء هذا البحث إلى الإشارة إلى أن هذا لا يمكن اعتباره اكتشافًا إيجابيًا للمادة المظلمة، لكنه يقول إنه يعطينا تلميحًا عما يجب البحث عنه وبالتالي إلى أين يجب توجيه تحقيقات المتابعة – وهو أمر يمكن أن يكون مفيدًا بشكل متزايد مع اكتشاف أجهزة كشف المادة المظلمة. أرض الاستمرار في التشغيل الخامس مع حساسية معززة.

وقال قائد الفريق جوسو أوريكويتكسيا Josu Aurrekoetxea، من قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT): “نحن نعلم أن المادة المظلمة موجودة حولنا. يجب أن تكون كثيفة بدرجة كافية حتى نتمكن من رؤية آثارها”. “توفر الثقوب السوداء آلية لتعزيز هذه الكثافة، والتي يمكننا الآن البحث عنها من خلال تحليل موجات الجاذبية المنبعثة عند اندماجها”.

نُشرت نتائج الفريق يوم الثلاثاء (12 مايو) في المجلة رسائل المراجعة البدنية.