اجرام آسمانی موسوم به کوتوله‌های تاریک ممکن است در نزدیکی مرکز کهکشان ما پنهان شده باشند و دانشمندان معتقدند که می‌توانند به کشف اسرار یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان‌شناسی مدرن، یعنی ماده تاریک، کمک کنند.
در مطالعه‌ای که اخیراً در ژورنال کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics) منتشر شده، تیمی از محققان از بریتانیا و هاوایی، مفهوم کوتوله‌های تاریک را معرفی کرده و توضیح می‌دهند که چگونه می‌توانیم آن‌ها را با استفاده از ابزارهای موجود، از جمله تلسکوپ فضایی جیمز وب، شناسایی کنیم.
تیم تحقیقاتی بین‌المللی نام “کوتوله‌های تاریک” را انتخاب کردند، نه به این دلیل که این اجرام ذاتاً تاریک هستند، بلکه به دلیل ارتباط نزدیک آن‌ها با ماده تاریک؛ موضوعی که همچنان در مرکز توجه اختر فیزیک و کیهان‌شناسی امروزی قرار دارد!
جرمی ساکستین، استاد فیزیک در دانشگاه هاوایی و یکی از نویسندگان این مطالعه توضیح می‌دهد:
ما فکر می‌کنیم ۲۵ درصد از جهان از نوعی ماده تشکیل شده که نور ساطع نمی‌کند، به همین دلیل برای چشم‌ها و تلسکوپ‌های ما نامرئی است. ما فقط از طریق اثرات گرانشی آن را شناسایی می‌کنیم. به همین دلیل به آن ماده تاریک می‌گوییم.
درک ناشناخته‌ها
در حالی‌که دانشمندان وجود ماده تاریک و نحوه عملکرد آن را تأیید کرده‌اند، ماهیت واقعی آن همچنان ناشناخته است. در طول پنج دهه گذشته، نظریه‌های زیادی مطرح شده، اما هیچ‌کدام با داده‌های تجربی کافی تأیید نشده‌اند. تلاش‌های تحقیقاتی مانند این، با هدف ارائه راه‌های عملی برای نزدیک‌تر شدن به یک راه‌حل انجام می‌شوند.
از جمله شناخته‌شده‌ترین کاندیداهای ماده تاریک، ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) هستند. این ذرات بسیار پرجرم‌اند و برهم‌کنش بسیار ضعیفی با ماده معمولی دارند: بدون اینکه متوجه شوید از میان اجسام عبور می‌کنند، نور ساطع نمی‌کنند و به نیروهای الکترومغناطیسی پاسخ نمی‌دهند (بنابراین نور را منعکس نمی‌کنند و نامرئی می‌مانند) و تنها از طریق اثرات گرانشی خود را آشکار می‌سازند. برای وجود کوتوله‌های تاریک، این نوع ماده تاریک ضروری است. ساکستین توضیح می‌دهد:
ماده تاریک به صورت گرانشی برهم‌کنش می‌کند، بنابراین می‌تواند توسط ستارگان به دام افتاده و در داخل آن‌ها انباشته شود. اگر این اتفاق بیفتد، ممکن است با خود نیز برهم‌کنش کرده و نابود شود، و انرژی آزاد کند که ستاره را گرم می‌کند.
ستارگان معمولی، مانند خورشید، به این دلیل می‌درخشند که فرآیندهای همجوشی هسته‌ای در هسته آن‌ها رخ می‌دهد و مقادیر زیادی گرما و انرژی تولید می‌کند. همجوشی زمانی اتفاق می‌افتد که جرم یک ستاره به اندازه‌ای بزرگ باشد که نیروهای گرانشی، ماده را با چنان شدتی به سمت مرکز فشرده کنند که واکنش‌هایی بین هسته‌های اتمی ایجاد شود. این فرآیند مقدار زیادی انرژی آزاد می‌کند که ما آن را به صورت نور می‌بینیم. کوتوله‌های تاریک نیز نور ساطع می‌کنند، اما نه به دلیل همجوشی هسته‌ای.
ساکستین توضیح می‌دهد:
کوتوله‌های تاریک اجسامی با جرم بسیار کم، حدود ۸ درصد جرم خورشید هستند. چنین جرم کوچکی برای آغاز واکنش‌های همجوشی کافی نیست. به همین دلیل، چنین اجسامی، که در جهان بسیار رایج هستند، معمولاً تنها نور ضعیفی ساطع می‌کنند (به دلیل انرژی تولید شده توسط انقباض گرانشی نسبتاً کوچکشان) و در میان دانشمندان به عنوان کوتوله‌های قهوه‌ای شناخته می‌شوند.
زمانی‌که کوتوله‌های قهوه‌ای به چیزی فراتر تبدیل می‌شوند!
با این حال، اگر کوتوله‌های قهوه‌ای در مناطقی قرار بگیرند که ماده تاریک به ویژه فراوان است، مانند مرکز کهکشان ما، می‌توانند به چیز دیگری تبدیل شوند. ساکستین توضیح می‌دهد:
این اجرام، ماده تاریک را جمع‌آوری می‌کنند که به آن‌ها کمک می‌کند به یک کوتوله تاریک تبدیل شوند. هرچه ماده تاریک بیشتری در اطراف داشته باشید، می‌توانید بیشتر به دام بیندازید.» «و هرچه ماده تاریک بیشتری در داخل ستاره جمع شود، انرژی بیشتری از طریق نابودی آن تولید خواهد شد.
اما تمام این فرضیه به نوع خاصی از ماده تاریک وابسته است. ساکستین می‌گوید:
برای اینکه کوتوله‌های تاریک وجود داشته باشند، ماده تاریک باید از ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) یا هر ذره سنگین دیگری که با خود به شدت برهم‌کنش می‌کند و ماده مرئی تولید می‌کند، ساخته شده باشد. سایر کاندیداهای پیشنهادی برای توضیح ماده تاریک، مانند اکسیون‌ها، ذرات فوق‌سبک مبهم، یا نوترینوی عقیم، همگی برای تولید اثر مورد انتظار در این اجرام بسیار سبک هستند. فقط ذرات پرجرم، که قادر به برهم‌کنش با یکدیگر و نابود شدن به انرژی مرئی هستند، می‌توانند یک کوتوله تاریک را تغذیه کنند.
با این حال، اگر راه مشخصی برای شناسایی یک کوتوله تاریک وجود نداشته باشد، این فرضیه ارزش چندانی نخواهد داشت. به همین دلیل، ساکستین و همکارانش یک نشانگر متمایز را پیشنهاد می‌کنند:
چند نشانگر وجود داشت، اما ما لیتیوم-۷ را پیشنهاد کردیم زیرا واقعاً یک اثر منحصر به فرد خواهد بود.» این دانشمند توضیح می‌دهد: «لیتیوم-۷ بسیار آسان می‌سوزد و به سرعت در ستارگان معمولی مصرف می‌شود. بنابراین اگر بتوانید جرمی را پیدا کنید که شبیه یک کوتوله تاریک است، می‌توانید به دنبال حضور این لیتیوم باشید، زیرا اگر یک کوتوله قهوه‌ای یا جرم مشابهی بود، در آنجا وجود نداشت.
ابزارهایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب ممکن است از قبل قادر به شناسایی اجرام آسمانی بسیار سرد مانند کوتوله‌های تاریک باشند. اما به گفته ساکستین، یک امکان دیگر نیز وجود دارد:
کار دیگری که می‌توانید انجام دهید این است که به کل یک جمعیت از اجرام نگاه کنید و به صورت آماری بپرسید که آیا وجود یک زیرجمعیت از کوتوله‌های تاریک، آن را بهتر توصیف می‌کند یا خیر.
اگر در سال‌های آینده موفق به شناسایی یک یا چند کوتوله تاریک شویم، این سرنخ چقدر در حمایت از فرضیه ساخته شدن ماده تاریک از ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) قوی خواهد بود؟
کاملاً قوی. با کاندیداهای ماده تاریک سبک، چیزی شبیه به یک اکسیون، فکر نمی‌کنم بتوانید چیزی شبیه به کوتوله تاریک به دست آورید. آن‌ها در داخل ستارگان انباشته نمی‌شوند. اگر ما موفق به پیدا کردن یک کوتوله تاریک شویم، شواهد قانع‌کننده‌ای ارائه خواهد داد که ماده تاریک سنگین است، با خود به شدت برهم‌کنش می‌کند، اما فقط به صورت ضعیف با مدل استاندارد. این شامل دسته‌هایی از ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) می‌شود، اما شامل برخی مدل‌های عجیب‌تر دیگر نیز خواهد بود.» ساکستین نتیجه‌گیری می‌کند: «مشاهده یک کوتوله تاریک به طور قطعی به ما نمی‌گوید که ماده تاریک یک WIMP است، اما به این معنی است که یا یک WIMP است یا چیزی که برای تمام اهداف و مقاصد مانند یک WIMP رفتار می‌کند.
منبع: Scitechdaily
