در جستجوی اولین ستارگان؛ ماده‌ی تاریک چگونه آشکار می‌شود؟

 این کشف، اولین شواهد مستقیم مبنی بر اینکه ماده‌ی تاریک وجود دارد و از ذراتِ کم‌جرم تشکیل شده است، را ارائه می‌دهد. الگوهای امواج رادیویی در آسمان ناشی از ترکیب تابش اولین ستارگان و تاثیر ماده‌ی تاریک است. مناطق آبی، مناطقی است که ماده‌ی تاریک در آن، ماده‌ی معمولی را به شدت خنک می‌کند. اگر در چند سال آینده چنین الگویی با تلسکوپ‌ها رادیوییِ جدید کشف شود، تأیید خواهد کرد که اولین ستارگان، ماده‌ی تاریک را آشکار ساخته‌اند.

طبق مطالعه‌ای که این هفته در Nature به چاپ رسیده است، گروهی از ستاره‌شناسان به رهبری پروفسور «جود بومن» از دانشگاه ایالتی آریزونا، در حالی که از طریق سیگنال‌های موج رادیویی در تلاش برای کشف اولین ستارگان در جهان بودند، به‌طور اتفاقی و غیرمنتظره‌ای به ماده‌ی تاریک، مرموزترین عنصر تشکیل‌دهنده‌ی فضای خارجی، پی بردند.

این ایده که این سیگنال‌ها ماده‌ی تاریک را نشان می‌دهند، بر اساس مقاله‌ی دومِ Nature است که در این هفته، توسط پروفسور «رنان بارکانا»، به چاپ رسید و نشان می‌دهد که این سیگنال، اثباتی برای تعاملات بین ماده‌ی عادی و ماده‌ی تاریک در جهانِ اولیه است. به گفته‌ی پروفسور بارکانا، این کشف، اولین شواهد مستقیم مبنی بر اینکه ماده‌ی تاریک وجود دارد و از ذراتِ کم‌جرم تشکیل شده است، را ارائه می‌دهد. این سیگنال، که توسط تلسکوپ رادیویی جدیدی به‌نام «EDGES» ثبت شده است، به ۱۸۰ میلیون سال بعد از انفجار بزرگ برمی‌گردد.

پروفسور بارکانا، رئیس بخش فیزیک نجومی دانشکده‌ی فیزیک و نجومِ TAU، می‌گوید: «ماده‌ی تاریک، کلید پی بردن به این راز است که جهان از چه ساخته شده است. ما فقط کمی درباره‌ی عناصر شیمیایی که زمین، خورشید و سایر ستارگان را ساخته‌اند می‌دانیم، اما بیشترِ ماده در جهان قابل مشاهده نیست و نامرئی است و ماده‌ی تاریک نام دارد. وجود ماده‌ی تاریک از گرانش قویِ آن استبناط می‌شود، اما ما هیچ نظری نداریم که ماده‌ی تاریک چه نوع ماده‌ای است. از این رو، ماده‌ی تاریک یکی از بزرگ‌ترین اسرار فیزیکی است.»

وی افزود: «برای حل این راز، باید در زمان به عقب برگردیم. ما خورشید را همان طوری می‌بینیم که هشت دقیقه قبل دیدیم، در حالی که اولین ستارگانِ بسیار دور در جهان، برای ما روی زمین به گونه‌ای به‌نظر می‌رسند که میلیاردها سال قبل بوده‌اند.» پروفسور بومن و همکارانش، کشف سیگنال موج رادیویی در فرکانس ۷۸ مگاهرتز را گزارش کردند. پهنای نمایه‌ی مشاهده‌شده‌ی بسیار سازگار با انتظارات است، اما آن‌ها همچنین دریافتند که این سیگنال دامنه‌ی بزرگ‌تری نسبت به دامنه‌ی پیش‌بینی‌شده داشته است؛ این امر نشان می‌دهد که گاز اولیه خنک‌تر از حد انتظار بوده است. پروفسور بارکانا نشان می‌دهد که این گاز از طریق تعامل هیدروژن با ماده‌ی تاریکِ سرد خنک می‌شده است.

پروفسور بارکانا می‌گوید: «متوجه شدم که این سیگنال شگفت‌آور نشان‌دهنده‌ی وجود دو عامل است؛ ستارگان اولیه و ماده‌ی تاریک. اولین ستارگان در جهان، سیگنال رادیویی را روشن کردند، در حالی که ماده‌ی تاریک با ماده‌ی معمولی برخورد کرده و آن‌را خنک کرده است. مواد بسیار سرد طبیعتاً سیگنال رادیوییِ قوی را توضیح می‌دهند.»

فیزیکدانان انتظار داشتند که هرگونه ذره‌ی ماده‌ی تاریک، سنگین است؛ اما این کشف، ذرات کم‌جرم را نشان می‌دهد. پروفسور بارکانا بر اساس سیگنال رادیویی استدلال می‌کند که ذرات ماده‌ی تاریک، از چند توده‌ی پروتون، سنگین‌تر نیست. پروفسور بارکانا می‌گوید: «این بینش به تنهایی، پتانسیلِ تغییر مسیر دادنِ جستجوی ماده‌ی تاریک را دارد.»

هنگامی که ستارگان در جهان اولیه شکل گرفتند، پیش‌بینی شده که نور آن‌ها به گاز هدروژنِ اولیه نفوذ کرده و ساختار درونی آن‌را تغییر داده است. این باعث شده که گاز هیدروژن، پروتون‌هایی را از نویزِ ریزموجِ کیهانی، در طول موج مشخصِ ۲۱ سانتی متری، جذب کند؛ که نشانی در طیف رادیویی را نشان می‌دهد که امروزه باید در فرکانس‌های رادیوییِ زیرِ ۲۰۰ مگاهرتز قابل مشاهده باشد. این مشاهدات، به غیر از عمق جذب، با پیش‌بینی‌ها تطابق دارد.

پروفسور بارکانا پیش‌بینی می‌کند که ماده‌ی تاریک، الگوی بسیار ویژه‌ای از امواج رادیویی را ایجاد کرده است که با آرایه‌ی وسیعی از آنتن‌های رادیویی، قابل شناسایی است. یکی از این آرایه‌ها SKA است که بزرگ‌ترین تلسکوپ رادیوییِ در حال ساخت در جهان است. پروفسور بارکانا نتیجه می‌گیرد که این گونه مشاهدات با SKA تایید می‌کند که اولین ستارگان در واقع ماده‌ی تاریک را برملا کرده‌اند.»