طبق تخمین فیزیکدانان، حدود ۸۵ درصد از تمام مواد موجود در جهان از چیزی ساخته شده که ما نمیتوانیم ببینیم، لمس کنیم یا مستقیماً شناساییاش نماییم.
طی سالهای متمادی، تلسکوپ فضایی فرمی ناسا درخشش گامایی را از مرکز کهکشان راه شیری شناسایی کرده که تاکنون توضیحی برای آن یافت نشده است. برنامه آرتمیس ناسا برای بازگرداندن فضانوردان به ماه و در نهایت اعزام انسان به مریخ نشان میدهد که اکتشافات فضایی تا چه اندازه پیشرفت کردهاند. هرچند ماه و مریخ هنوز مقاصدی فریبنده و سرشار از رمز و رازهای علمی هستند، نگاه کردن به ورای منظومه شمسی ما پرسشهای عمیقتری درباره خود کیهان مطرح میکند.
یکی از بزرگترین این اسرار، ماده است؛ همان چیزی که همه چیز پیرامون ما را تشکیل میدهد. به طرز شگفتآوری، بیشتر ماده موجود در جهان نامرئی است و ستارهشناسان هنوز نمیدانند که چیست. فیزیکدانان تخمین میزنند حدود ۸۵ درصد از تمام ماده از چیزی ساخته شده که ما نمیتوانیم ببینیم، لمس کنیم یا مستقیماً آشکارش سازیم. این ماده گریزان، ماده تاریک نام دارد. ماده تاریک مانند ستارهها یا کهکشانها نوری از خود ساطع نمیکند. تنها دلیلی که دانشمندان از وجود آن آگاهند، گرانش آن است.
کهکشانها آنقدر سریع میچرخند که تنها با ماده قابل مشاهده نمیتوانند پایدار بمانند. نور هنگام عبور از فضا بیش از حد انتظار خم میشود. کهکشانهای درون خوشهها بسیار سریعتر از آنچه بر اساس جرم قابل مشاهده آنها انتظار میرود، از کنار یکدیگر عبور میکنند.
بر اساس دادههای به دست آمده از سراسر کیهان، دانشمندان پیوسته به یک نتیجه واحد میرسند: چیزی آن بیرون وجود دارد که دیده نمیشود اما حضورش غیرقابل انکار است. این پرسشی است که ستارهشناسانی مانند ما را بیش از ۵۰ سال به خود مشغول داشته است. همه چیز در جهان روزمره ما از اتمها ساخته شده که ترکیبی از پروتونها، نوترونها و الکترونها هستند. این ذرات، ستارهها، سیارهها، انسانها و هر چه میبینید را تشکیل میدهند.
دانشمندان بر این باورند که ماده تاریک ماهیتی کاملاً متفاوت دارد. احتمالاً از نوعی ذرات کاملاً جدید ساخته شده که هنوز کشف نشدهاند. درک چیستی آن ذرات، شکاف بزرگی را در درک علمی فیزیک پر میکند. اما اهمیت ماده تاریک بسیار فراتر از فیزیک ذرات است.
ماده تاریک نقشی تعیینکننده در شکلگیری جهان داشته است. اندکی پس از مهبانگ که تولد کیهان را رقم زد، ماده تاریک مانند داربستی گرانشی عمل کرد و به ماده معمولی کمک نمود تا گرد هم آمده و نخستین کهکشانها و ستارهها را تشکیل دهد. حتی امروز نیز مانند چسبی نامرئی کهکشانها را کنار هم نگه میدارد. به عبارت دیگر، بدون ماده تاریک، جهانی که شما میشناسید احتمالاً وجود نداشت.
از آنجا که ماده تاریک نوری گسیل نمیکند، دانشمندان باید به طور غیرمستقیم به جستجوی آن بپردازند. یکی از رویکردهای امیدوارکننده، جستجوی نشانههایی بوده که ممکن است هنگام برخورد ذرات ماده تاریک و نابودی یکدیگر از طریق فرایندی به نام نابودسازی تولید شود. این ایده ممکن است عجیب به نظر برسد، اما مشابهی آشنا دارد. در تصویربرداری پزشکی، دستگاههایی مانند اسکنرهای PET تابشی را تشخیص میدهند که هنگام نابود شدن ذرات پادماده با الکترونها تولید میشود.
پادماده صرفاً شکلی از ماده است که از ذراتی با همان جرم ماده معمولی ساخته شده اما بار و ویژگیهای کوانتومی متفاوتی دارند. نشانههای نابودسازی در اسکنرهای PET به پزشکان اجازه میدهد بافتهای سرطانی را درون بدن انسان نقشهبرداری کنند. دانشمندان امیدوارند پدیده مشابهی برای ماده تاریک رخ دهد. اگر ذرات ماده تاریک یکدیگر را نابود کنند، ممکن است تابشی پرانرژی به نام پرتو گاما تولید کنند. این پرتوهای گاما میتوانند مانند اثر انگشت عمل کرده و نشان دهند که ماده تاریک در کجا متمرکز است و چه ویژگیهایی دارد.
یکی از قدرتمندترین ابزارها برای این جستجو، تلسکوپ فضایی فرمی ناسا است که از سال ۲۰۰۸ آسمان را در طیف گاما رصد میکند. پرتوهای گاما پرانرژیترین شکل نور هستند و توسط برخی از شدیدترین پدیدههای جهان تولید میشوند.
سالهاست که تلسکوپ فرمی درخشش گامایی را از مرکز کهکشان راه شیری شناسایی کرده که توضیحی برای آن یافت نشده است. بر اساس مشاهدات گرانشی مانند منحنیهای چرخش کهکشانی، حرکت ستارهها و خمیدگی نور، به همراه شبیهسازیهای کیهانشناختی، اخترفیزیکدانان انتظار دارند این منطقه از نظر ماده تاریک بسیار غنی باشد و آن را مکانی جذاب برای جستجوی نشانههای نابودسازی میکنند. آیا این درخشش میتواند مدرکی از ماده تاریک باشد؟ احتمالاً. اما یک پیچیدگی وجود دارد: مرکز کهکشان ما همچنین مملو از منابع اخترفیزیکی مرسومتر پرتو گاما مانند ستارههای نوترونی با چرخش سریع است که از رمبش ستارههای پرجرم پدید میآیند. این اجرام میتوانند پرتوهای گامایی تولید کنند که شبیه به نشانه مورد انتظار از ماده تاریک است. در حال حاضر دانشمندان نمیتوانند با قطعیت بگویند چه چیزی باعث این گسیل میشود. این نشانه ممکن است یک پیشرفت بزرگ باشد، یا چیزی معمولیتر.
برای حل این معما، پژوهشگران همچنین سیستمهای بسیار کوچکتری به نام کهکشانهای کوتوله را مطالعه میکنند که به دور کهکشان راه شیری میگردند. این کهکشانها حاوی ماده تاریک هستند اما نسبتاً منابع دیگر پرتو گاما در آنها اندک است؛ بنابراین محیطهای پاکتری برای جستجوی نشانههای مرتبط با ماده تاریک به شمار میروند. تاکنون هیچ شناسایی قطعی انجام نشده. با این حال، تحلیلی که در مارس ۲۰۲۴ منتشر شد، نشانههایی از ظهور یک سیگنال را از این کهکشانهای کوتوله پیدا کرد و بهروزرسانیهای بعدی دادهها نیز این یافتهها را تأیید کردهاند.
دانشمندان با استفاده از تازهترین دادههای تلسکوپ فرمی، همراه با فهرست بهروز شده کهکشانهای کوتوله و برآوردهای بهبودیافته از محتوای ماده تاریک آنها، به جستجوی نشانههای ضعیف پرتو گاما در میان جمعیت کهکشانهای کوتوله میپردازند. این جستجو آنها را به یافتن فزونی از پرتوهای گاما سوق داد که مطالعات پیشین نیز به آن اشاره کرده بودند. هر چه داده بیشتری جمعآوری گردید، این فزونی پررنگتر شد. شواهد هنوز به اندازه کافی قوی نیستند که دانشمندان ادعای کشف ماده تاریک کنند، اما واقعا کنجکاویبرانگیز است. ویژگیهای این سیگنال همچنین با آنچه دانشمندان در مرکز کهکشان راه شیری میبینند، هماهنگ است. اگر هر دو سیگنال منشأ مشترکی داشته باشند، احتمال ماده تاریک بودن آنها قویتر میشود.
تأیید یک سیگنال از ماده تاریک به دادههای بیشتر و ابزارهای بهتر نیاز دارد که هماهنگ با یکدیگر کار کنند. مشاهدات آینده تلسکوپ فرمی به افزایش حساسیت این جستجوها ادامه خواهد داد. افزون بر این، تأسیسات جدیدی مانند رصدخانه ورا روبین در شیلی انتظار میرود که کهکشانهای کوتوله بیشتری را برای مطالعه پژوهشگران کشف کند. یکی دیگر از مأموریتهای کلیدی، طیفسنج و تصویربردار کامپتون ناسا یا COSI است که پرتاب آن برای سال ۲۰۲۷ برنامهریزی شده است. COSI دید تازهای از آسمان گاما ارائه خواهد کرد و میتواند به روشن شدن چندین معمای دیرینه کمک کند. یکی از این معماها، درخشش توضیحناپذیر دیگری از مرکز کهکشان است که هنگام نابود شدن الکترونها و پوزیترونها ایجاد میشود، دقیقاً مانند اسکنرهای PET. با وجود کشف این سیگنال نابودسازی بیش از ۵۰ سال پیش، دانشمندان هنوز نمیدانند این پوزیترونها از کجا میآیند. COSI با نقشهبرداری از این گسیل با جزییات بیسابقه میتواند به آشکارسازی این درخشش کمک کند و نشان دهد که آیا ممکن است به ماده تاریک و دیگر سیگنالهای توضیحناپذیر در کهکشان راه شیری مرتبط باشد.
این تلاشها به همراه بسیاری از جستجوهای دیگر در حال انجام، ممکن است به تعیین این موضوع کمک کند که آیا دانشمندان واقعاً اثر انگشت ماده تاریک را میبینند یا چیزی کاملاً متفاوت.
همزمان با پیشرفت بشر به سوی فضا، از ماه تا مریخ و فراتر از آن، جهانهای تازهای در انتظار کشف هستند. همگام با عصر جدید اکتشافات فضایی، با هر مشاهده تازه، شاید دانشمندان به پاسخ یکی از بنیادیترین پرسشهای فیزیک نزدیکتر شوند.
