آشکارسازی سیگنالی مرموز توسط یک کاوشگر که فیزیکدانان توضیحی برای آن ندارند

یکی از راه‌های مطرح برای آشکار‌سازی غیر مستقیم ماده‌ی تاریک، آشکار‌سازی پرتو‌ها‌ی کیهانی است؛ اما چگونه و با چه شرایطی؟

در میان پیشرفت‌ها‌ی بی‌پایان مکانیک کوانتومی در فیزیک و دستاورد‌های دانشمندان اروپایی و آمریکایی در زمینه‌ی ماده‌ی تاریک، چین در تلاش است تا فاصله‌ی علمی و تحقیقاتی بین خود و کشور‌ها‌ی مطرح جهان را کم کند. یک پروژه‌ی تحقیقاتی فضایی چینی، نشانه‌ها‌ی خوبی از ماده‌ی تاریک پیدا کرده است. با اینکه آشکار‌سازی مستقیمی انجام نشده؛ اما این اولین باری است که داده‌ها‌یی از ماده‌ی تاریک توسط اولین پروژه‌ی تحقیقاتی چین در این مورد به دست می‌آید. این پروژه تنها برای دست‌یابی به نتایج اختر‌فیزیکی انجام شده است.

آشکار‌سازی ماده‌ی تاریک موضوعی است که قرن‌ها فکر اختر‌فیزیک‌دانان را به خود مشغول کرده. برای اولین بار ستاره‌شناس سوئیسی، فریتس زوییکی، متوجه شد که جرم تمامی ذرات تشکیل‌دهنده‌ی یک خوشه‌ی کهکشانی، تنها یک درصد جرمی است که برای تأثیرات گرانشی اجزای این خوشه بر یکدیگر لازم است. یعنی برای جلوگیری از پاشیده شدن اجزای خوشه از یکدیگر، جرمی بسیار بیشتر از جرم دیده‌شده لازم است. دانشمندان از همین تأثیرات گرانشی که لازمه‌ی وجود کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی است، نتیجه گرفته‌اند که ماده‌ی تاریک وجود دارد.

کاوشگر چینی به نام کاشف ذرات ماده‌ی تاریک (DAMPE)، برای آشکار‌سازی سیگنا‌ل‌ها‌یی از این ماده‌ی تاریک فرضی طراحی شده است. ذرات ماده‌ی تاریک به‌عنوان ذرات جرم‌دار ضعیف برهم‌کنش کننده (WIMP) شناخته می‌شوند. کاوشگر DAMPE در دسامبر ۲۰۱۵، در صحرای گوبی واقع در ۱۶۰۰ کیلومتری غرب پکن، توسط ماهواره‌ جیوکوان پرتاب شد. ابزار اولیه‌ی این کاوشگر، یک ماهواره‌ی کوچک مجهز به آشکار‌سازی است که می‌تواند در یک جهت خاص داده جمع‌آوری و آن‌ها را ترکیب کند. این آشکار‌ساز همچنین می‌تواند پارامتر‌ها‌یی از ذرات تابش‌ها‌ی کیهانی مانند انرژی، جهت حرکت و بار الکتریکی را اندازه‌گیری کند.

نیروی حاصل از تاریکی کیهانی

منشأ تابش‌ها‌ی کیهانی، پدیده‌ها‌ی اختر‌فیزیکی هستند که احتمال رخ دادن آن‌ها بسیار زیاد است و همیشه در دسترس هستند. مانند انفجار‌ها‌ی ابرنو‌اختری که در هر ثانیه در گوشه‌ای از کهکشان اتفاق می‌افتند. با این وجود، اگر واقعا ماده‌ی تاریک از ذرات ضعیف بر‌هم‌کنش کننده تشکیل شده باشد، این ذرات باید هر چند وقت یکدیگر را نابود کنند و به زوج الکترون‌-پوزیترون (پاد‌ماده‌ی الکترون) تبدیل شوند. سپس این زوج‌ها‌ی الکترون‌-پوزیترون تولیدشده، می‌توانند به‌عنوان موادی اضافه بر مواد تولیدشده توسط پدیده‌ها‌ی اختر‌فیزیکی، خود را نشان دهند و آشکار‌سازی شوند.

کاوشگر DAMPE، در ۵۳۰ روز اول کار خود توانست ۱.۵ میلیون جفت الکترون‌-پوزیترون بالای حد آستانه‌ی انرژی معمول را آشکار‌ کند. دانشمندان معمولا انتظار دارند که یک خمیدگی ملایم از ذرات نسبت به انرژی ببینید؛ اما آزمایش‌ها‌ی اخیر نشان می‌دهند که ناهجاری شدیدی در این منحنی دیده می‌شود. اهممیت این داده‌ها از جهتی است که این ناهجاری‌ها را تأیید می‌کند. به گفته‌ی چانگ جین، رهبر مؤسسه‌ی علوم چین (PMO):

این می‌تواند نشانه‌ای از وجود ماده‌ی تاریک باشد. همچنین ناهنجاری‌ها‌ی شکل‌گرفته در انرژی می‌تواند یک منبع دیگر برای پرتو‌ها‌ی کیهانی ایجاد کند.

جین در گزارش دیگری گفت:

ناهنجاری‌ها‌ی بسیار شدیدی در مقیاس انرژی‌ها‌ی بالا دیده می‌شود؛ به‌صورتی که انرژی دائما بالا و پایین می‌شود. این مشاهدات، با علم فیزیک امروز قابل توجیه و توضیح نیست.

او همچنین به این نکته اشاره کرد که کاوشگر DAMPE برای یک پروژه‌ی سه ساله انتخاب شده بود که به‌ لطف سرعت کم در عملکرد فضا‌پیما و دستگاه‌ها‌ی مربوط به آن، پروژه پنج سال طول می‌کشد.

با توجه به گزارش مجله‌ی Science و گفته‌ها‌ی اختر‌فیزیک‌دان دانشگاه پرینستون، دیوید اسپرگل، با اینکه هیچ ضمانتی وجود ندارد که DAMPE بتواند معما‌ی ماده‌ی تاریک را حل کند، این پروژه‌ی چینی برای حل معما‌ی ماده‌ی تاریک می‌تواند اطلاعات زیادی درباره‌ی تابش‌ها‌ی کیهانی، ابرنو‌اختر‌ها و پالسار‌ها به ما بدهد.