آیا ذرات ماده تاریک ممکن است با هم برخورد کنند؟

توسط آندری فلدمن | 17 اکتبر 2024

تحقیقات جدید بر روی کهکشان های کوتوله این ایده را که ماده تاریک بدون برخورد است به چالش می کشد و نشان می دهد که ممکن است به روش های غیرمنتظره ای برهم کنش داشته باشد.

کشف ماهیت ماده تاریک یک هدف اصلی در فیزیک مدرن است، و اگرچه دانشمندان وجود آن را از اثرات گرانشی آن بر کهکشان ها استنباط کرده اند، اما همچنان یکی از گیج کننده ترین عناصر کیهان است. این ماده گریزان که حدود 80 درصد از کل جرم را تشکیل می دهد، نور را ساطع، جذب یا منعکس نمی کند و باعث می شود تلسکوپ های ما نامرئی باشند.

مدل‌های رایج کنونی که شکل‌گیری ساختارها را در کیهان توصیف می‌کنند، فرض می‌کنند که هر ذره‌ای که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند، به طور غیرمستقیم از طریق گرانش با یکدیگر و مواد دیگر برهم‌کنش می‌کنند - یعنی به‌عنوان «بدون برخورد» تعریف می‌شوند.

گروهی از محققان این فرض را به چالش می کشند و در عوض پیشنهاد می کنند که ذرات ماده تاریک ممکن است در واقع با یکدیگر تعامل داشته باشند. این نظریه غالب این موجود مرموز را به چالش می کشد و درک ما از جهان را متزلزل می کند.

دانشمندان در مطالعه خود بر روی توزیع ماده تاریک در شش کهکشان ماهواره ای کوتوله در کهکشان راه شیری تمرکز کردند و متوجه اختلافاتی در ویژگی های خوشه شدند، مانند چگالی کم غیرمنتظره در هسته کهکشانی آن، که با آنچه نظریه ماده تاریک بدون برخورد پیش بینی می کند در تضاد است. .

آنها استدلال می کنند که این نشان دهنده ناسازگاری بین داده های رصدی و محبوب ترین مدل ماده تاریک است، به این معنی که ممکن است فقط یک نظریه جایگزین وجود داشته باشد.

نشانه های گرانشی ماده تاریک

نیروهای گرانشی ایجاد شده توسط ماده تاریک در کهکشان ها سرنخ های حیاتی در مورد توزیع آن ارائه می دهند. تجزیه و تحلیل های قبلی منتشر شده در ادبیات نشان داده است که اگر ماده تاریک بدون برخورد باشد، چگالی آن باید به شدت به سمت مرکز یک کهکشان افزایش یابد و چیزی را تشکیل دهد که کاسپ نامیده می شود.

این به این دلیل رخ می دهد که در غیاب برخورد ذرات، هیچ نیرویی برای پراکندگی یا مهار حرکت ذرات ماده تاریک وجود ندارد و به آنها اجازه می دهد تحت تأثیر گرانش آزادانه حرکت کنند. این بدان معناست که ماده تاریک در مرکز یک کهکشان، جایی که نیروی گرانشی به طور طبیعی قوی‌ترین است، جمع می‌شود.

با این حال، اگر ذرات ماده تاریک با یکدیگر تعامل داشته باشند، ممکن است انرژی را به یکدیگر منتقل کنند یا با هم برخورد کنند، که می تواند منجر به پراکندگی شود. این فعل و انفعال می تواند مانع از تجمع ذرات به صورت محکم در مرکز شود، پروفیل چگالی را صاف کرده و در نتیجه هسته کم عمق تری ایجاد کند.

علاوه بر نزدیکی آنها به زمین، شش کهکشان کوتوله فوق کم نور که محققان مورد مطالعه قرار گرفتند - Horologium I، Horologium II، Hydra II، Phoenix II، Sagittarius II و Triangulum II - انتخاب شدند زیرا جرم ستاره های آنها صدها است. هزاران بار کوچکتر از جرم ماده تاریک.

جرم بسیار کم ستارگان در این کهکشان ها، حدود 1000 تا 10000 برابر جرم خورشید، به این معنی است که فعالیت ستاره ای تاثیر گرانشی ماده تاریک را به طور قابل توجهی تغییر نمی دهد و مطالعه آن را بسیار آسان تر می کند.

در مقابل، وقتی سهم ماده معمولی قابل توجه باشد، مثلاً در منظومه شمسی با ستاره‌های بزرگ، می‌تواند شکل هاله‌های ماده تاریک را تغییر دهد و گاهی اوقات ناحیه مرکزی متراکم را به هسته‌ای صاف‌تر تبدیل کند. این فرآیند برای توضیح هاله های ماده تاریک که در دیگر کهکشان های کوتوله دیده می شود، پیشنهاد شده است.

این تیم با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی هابل، توزیع ستارگان را در این کهکشان‌ها برای تخمین میدان گرانشی تولید شده توسط ماده تاریک تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که میدان‌های گرانشی این کهکشان‌ها با نیمرخ هسته‌ای مطابقت دارند، نه با قله پیش‌بینی‌شده توسط معمولی. مدل ماده تاریک بدون برخورد

دانشمندان در مقاله خود نوشتند: "شش کهکشان کوچک [کوتوله فوق کم نور] در پتانسیل های [گرانشی ماده تاریک بدون برخورد] ساکن نیستند، نتیجه ای که با سطح اطمینان بیش از 97٪ پشتیبانی می شود." به طور همزمان، [کهکشان‌های] مشاهده‌شده با پتانسیل‌هایی با یک هسته درونی مطابقت دارند که توسط بسیاری از جایگزین‌ها برای [نظریه ماده تاریک بدون برخورد] پیش‌بینی شده است.»

در حالی که نتایج سوالاتی را در مورد کفایت مدل ماده تاریک بدون برخورد ایجاد می کند، قبل از نتیجه گیری قطعی به داده های بیشتری نیاز است. بررسی تنها شش کهکشان، اگرچه روشنگر است، اما برای رد کامل مدل استاندارد کافی نیست .

مشاهدات گسترده تر و تجزیه و تحلیل داده ها در مقیاس بزرگتر برای حل مسئله و روشن شدن ترکیب و خواص ماده تاریک ضروری است.

پیامدها برای آینده تحقیقات ماده تاریک

این یافته ها نشان می دهد که ماده تاریک می تواند پیچیده تر از آنچه قبلاً تصور می شد باشد. مدل استاندارد ماده تاریک بدون برخورد به طور موثر بسیاری از پدیده های کیهانی در مقیاس بزرگ مانند شکل گیری کهکشان ها، خوشه های کهکشانی و توزیع ساختارهای کیهانی را توضیح داده است.

با این حال، این شواهد جدید نشان می‌دهد که ذرات ماده تاریک ممکن است به روش‌هایی با یکدیگر تعامل داشته باشند که فراتر از اثرات گرانشی ساده است که معمولاً فرض می‌شود.

این فعل و انفعالات به طور بالقوه می تواند بر پویایی ماده تاریک در کهکشان ها تأثیر بگذارد و نحوه شکل گیری و تکامل کهکشان ها در مقیاس های کوچکتر را تغییر دهد و به درک عمیق تر و دقیق تر از نقش ماده تاریک در شکل دادن به جهان اشاره کند.

آنها نتیجه گرفتند: "به طور خلاصه، این کار نشان می دهد که شش کهکشان [کوتوله فوق کم نور] در پتانسیل های گرانشی هسته ای قرار دارند." «از آنجایی که بازخورد ستاره‌ای باید غیرفعال باشد، بهترین توضیح این است که [ماده تاریک] از ماهیت فرض شده در مدل کیهانی استاندارد [ماده تاریک بدون برخورد] منحرف می‌شود.

«مدل استاندارد تقریب بسیار خوبی برای واقعیت ارائه می‌کند، اما احتمالاً آخرین نظریه نیست. مطالعه نوع کهکشان‌هایی که در اینجا مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند ممکن است دروازه‌ای برای فراتر رفتن فراهم کند.»

https://www.advancedsciencenews.com/could-dark-matter-particles-be-colliding/