کشف جدید و هیجان‌انگیز درباره حلقه‌های انیشتین

به نقل از ساینس الرت، فیزیکدانان بر این باورند که بیشتر مواد موجود در کیهان از یک ماده نامرئی تشکیل شده است که ما فقط از طریق تاثیرات غیرمستقیم آن بر ستارگان و کهکشان‌هایی که می‌توانیم ببینیم، به وجودش پی می‌بریم. ما دیوانه نیستیم! بدون ماده تاریک، جهان آن طور که ما می‌بینیم معنایی نخواهد داشت.

 ماهیت ماده تاریک معمایی دیرینه است. با این حال، یک مطالعه جدید که توسط آلفرد امروت در دانشگاه هنگ کنگ و همکارانش که در «Nature Astronomy» منتشر شده است، از خمش گرانشی نور استفاده می‌کند تا ما را یک گام به درک ماهیت ماده تاریک نزدیک‌تر کند.

دلیل اینکه ما فکر می‌کنیم ماده تاریک وجود دارد این است که می‌توانیم اثرات گرانش آن را در رفتار کهکشان‌ها ببینیم. به طور خاص، به نظر می‌رسد ماده تاریک حدود ۸۵ درصد از جرم کیهان را تشکیل می‌دهد و اکثر کهکشان های دوردستی که می‌بینیم توسط هاله‌ای از این ماده مرموز احاطه شده‌اند. این ماده، تاریک نامیده می‌شود زیرا نور از خود ساطع و جذب یا بازتاب نمی‌کند و همین تشخیص آن را بسیار دشوار می‌کند.

پس ماده تاریک چیست؟ ما فکر می‌کنیم باید نوعی ذره بنیادی ناشناخته باشد، اما بیشتر از این چیزی نمی‌دانیم. تمام تلاش‌ها برای شناسایی ذرات ماده تاریک در آزمایش‌های آزمایشگاهی تاکنون شکست خورده  و فیزیکدانان دهه‌ها درباره ماهیت آن بحث کرده‌اند.

دانشمندان دو گزینه فرضی پیشرو برای ماده تاریک پیشنهاد کرده‌اند: کاراکترهای نسبتا سنگین به نام ذرات سنگین با تعامل ضعیف (یا WIMP) و ذرات بسیار سبک وزن به نام اکسیون. در تئوری، WIMP ها مانند ذرات گسسته رفتار می‌کنند، در حالی که اکسیون‌ها به دلیل تداخل کوانتومی، بسیار بیشتر شبیه امواج رفتار می‌کنند. تمایز بین این دو احتمال دشوار بوده، اما اکنون نور خمیده شده در اطراف کهکشان‌های دور سرنخی ارائه کرده است.

هنگامی که نوری که از کیهان عبور می‌کند و از یک جسم عظیم مانند کهکشان می‌گذرد، مسیر آن خم می‌شود زیرا - طبق نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین - گرانش جسم عظیم فضا و زمان را در اطراف خود منحرف می‌کند. در نتیجه، گاهی اوقات وقتی به یک کهکشان دور نگاه می‌کنیم، می‌توانیم تصاویر مخدوش شده از کهکشان‌های دیگر را در پشت آن ببینیم. اگر همه چیز کاملا در یک راستا قرار گیرد، نور کهکشان پس زمینه به صورت دایره‌ای در اطراف کهکشان نزدیکتر پخش می‌شود. این انحراف نور عدسی گرانشی نامیده می‌شود و دایره‌هایی که می‌تواند ایجاد کند  را حلقه‌های انیشتین  می‌نامند. با مطالعه حلقه‌ها یا سایر تصاویر عدسی گرانشی، ستاره‌شناسان می‌توانند در مورد خواص هاله ماده تاریک اطراف کهکشان نزدیکتر، بیاموزند.

این دقیقا همان کاری است که امروت و تیمش در مطالعه جدید خود انجام داده‌اند. آنها چندین سیستم را مشاهده کردند که در آن چندین نسخه از یک شی پس‌زمینه در اطراف کهکشان لنزدار پیش‌زمینه قابل مشاهده بود. آن‌ها با استفاده از مدل‌سازی دقیق، چگونگی تحریف تصاویر را در صورتی که ماده تاریک از WIMP  و در مقابل اگر ماده تاریک از آکسیون‌ها ساخته می‌شد، بررسی کردند. مدل WIMP شباهت زیادی به مدل واقعی نداشت، اما مدل اکسیون تمام ویژگی‌های سیستم را به دقت بازتولید کرد.

نتایج نشان می‌دهد که آکسیون‌ها کاندیدای محتمل‌تری برای ماده تاریک هستند و توانایی آن‌ها در توضیح ناهنجاری‌های عدسی و سایر مشاهدات اخترفیزیکی دانشمندان را به هیجان آورده است.

تحقیقات جدید بر پایه مطالعات قبلی استوار است که به آکسیون‌ها به عنوان گزینه محتمل‌تر ساخت ماده تاریک اشاره کرده‌اند. اگرچه این تحقیق  به بحث علمی در مورد ماهیت ماده تاریک پایان نمی‌دهد، اما راه‌های جد یدی را برای آزمایش‌های بعدی باز می‌کند. 

شناخت بهتر ماده تاریک می‌تواند به ما در درک بهتر چگونگی شکل‌گیری و تغییر کهکشان‌ها در طول زمان کمک کند.