نیمی از ماده‌‌ی مرئی، جایی در جهان مخفی شده بود

کیهان‌شناسان در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰، میزان ماده‌ی معمولی موجود در جهان را ۵ درصد تخمین زدند. ماده‌ی باقی‌مانده هم ترکیبی از ماده و انرژی تاریک است؛ اما پس از محاسبات بیشتر متوجه کاهش بخش زیادی از ماده‌ی مرئی جهان شدند.

طبق محاسبات بعدی، مجموع مواد مرئی موجود در جهان، به نیمی از ۵ درصد قابل انتظار رسید و در بیست سال گذشته، این مسئله، باریون مفقود (باریون‌ها مواد تشکیل شده از پروتون و نوترون هستند) نامیده شد. تلاش کیهان‌شناسان برای یافتن ماده‌ی مفقود تا مدت زیادی ناموفق بود. حل این مسئله نیاز به فناوری‌های جدید تلسکوپی داشت و کیهان‌شناسان بالاخره امسال توانستند به ماده‌ی مفقود پی ببرند.

منشاء مسئله

باریون نوعی طبقه‌بندی ذرات یا نوعی عبارت چتری است که پروتون‌‌ها و نوترون‌ها را در بر می‌گیرد. پروتون‌ها و نوترون‌ها، بلوک‌های سازنده‌ی ماده‌ی مرئی جهان هستند. تمام عناصر جدول تناوبی و هر ماده‌ی دیگری که فکرش را بکنید از پروتون و نوترون ساخته شده‌اند.

در اواخر دهه‌ی ۱۹۷۰، کیهان‌شناسان به وجود ماده‌ی تاریکی شک کردند. ماده‌ی تاریک، نوع مجهولی از ماده است که الگوهای گرانشی را در فضا ایجاد می‌کند و بخش زیادی از جهان را به خود اختصاص داده است. بخش اندکی از جهان هم از ماده‌های باریونی تشکیل شده است اما نسبت دقیق آن‌ها مشخص نیست. در سال ۱۹۹۷، سه دانشمند از دانشگاه‌ سندیگوی کالیفرنیا از نسبت هسته‌ی هیدروژن سنگین (هیدروژنی با میزان نوترون بیشتر) به هیدروژن عادی برای تخمین باریون‌های تشکیل‌دهنده‌ی جرم و انرژی جهان استفاده کردند.

شرایطی مثل تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی از جهان آغازین، ارزیابی دقیقی از جرم باریون‌ها را به دانشمندان می‌دهد

هنوز جوهر پژوهش‌های یادشده خشک نشده بودند که سه کیهان‌شناس دیگر پژوهش‌های بیشتری را انجام دادند. طبق گزارش آن‌ها از اندازه‌گیری مستقیم،‌ باریون‌هایی که در ستاره‌ها، کهکشان‌ها و گاز اطراف آن‌ها وجود دارند، به نیمی از مقدار قابل انتظار (۵ درصد) رسیده بودند. به این ترتیب مسئله‌ی باریون مفقود مطرح شد. طبق قانون طبیعت، ماده نه به وجود می‌آید نه نابود می‌شود؛ بنابراین یا این ماده اصلا وجود نداشته است و محاسبات ریاضی غلط بوده‌اند یا ماده جایی در جهان مخفی شده است.

جستجوی ناموفق

ستاره‌شناسان سراسر جهان جست‌وجو را شروع کردند و درست یک سال پس از کیهان‌شناسان نظری به سرنخ‌های اولیه رسیدند. طبق محاسبات کامپیوتری، بخش زیادی از ماده‌ی مفقود در پلاسمای داغ یک میلیون درجه‌ای کم تراکم مخفی شده است. به این ماده، «واسطه‌ی میان‌کهکشانی داغ» هم گفته می‌شود که نام مستعار آن WHIM است. WHIM در صورت وجود می‌توانست مسئله‌ی باریون مفقود را حل کند اما در زمان این بررسی، راهی برای اثبات این مسئله وجود نداشت.

در طول ۲۰ سال گذشته، بسیاری از پژوهشگران، کیهان‌شناسان و اخترشناسان برای پی‌بردن به ماده‌ی تاریک مفقود رصدهای قابل توجهی را انجام داده‌اند. نشانه‌ها و سیگنال‌های غلطی هم دریافت کردند اما تیمی از پژوهشگران در نهایت موفق به کشف گاز اطراف کهکشانی شدند. به این ترتیب WHIM حتی در صورت وجود هم بسیار نازک و پراکنده بود.

دایره‌ی قرمز، نقطه‌ی دقیق اولین انفجار رادیویی در کهکشانی با میلیاردها سال فاصله‌ی نوری نشان می‌دهد.

راه‌حلی غیرمنتظره در انفجارهای رادیویی سریع

در سال ۲۰۰۷، فرصتی کاملا غیرمنتظره به وجود آمد. دونکان لوریمر، ستاره‌شناس دانشگاه ویرجینیای غربی، از کشف پدیده‌ای کیهانی به‌نام انفجار رادیویی سریع (FRB) خبر داد. FRB-ها، پالس‌های پر انرژی کوتاهی از انتشار رادیویی هستند. کیهان‌شناسان و ستاره‌شناسان هنوز از منشاء تولید آن‌ها اطلاع ندارند اما به‌نظر می‌رسد این امواج از کهکشان‌های دوردست سرچشمه گرفته باشند.

ازآنجاکه انفجارهای رادیویی، جهان را می‌پیمایند و از گازها و WHIM فرضی عبور می‌کنند، در کل جهان توزیع می‌شوند. عامل اسرارآمیز FRB-ها معمولا کمتر از یک هزارم ثانیه دوام می‌آورد و تمام طول موج‌ها در توده‌ای منسجم منتشر می‌شوند. در صورتی که شخصی به اندازه‌ی کافی خوش‌شانس (بدشانس) باشد و در نقطه‌ای نزدیک به محل تولید FRB قرار بگیرد، به‌صورت هم‌زمان مورد اصابت تمام طول موج‌ها قرار خواهد گرفت.

اما وقتی موج رادیویی از ماده عبور کند، سرعت آن هم کاهش پیدا می‌کند. هرچقدر طول موجی بلندتر باشد، موج رادیویی بیشتر ماده را حس می‌کند. می‌توان این فرایند را به مقاومت باد تشبیه کرد. هر چقدر خودرویی بزرگ‌تر باشد بیشتر مقاومت باد را حس خواهد کرد. اثر مقاومت باد بر امواج رادیویی نسبتا اندک است اما فضا جای بزرگی است. FRB به مرور زمان، میلیون‌ها یا میلیارد‌ها سال نوری را برای رسیدن به زمین طی می‌کند و انتشار امواج، سرعت طول موج‌های طولانی‌تر را کاهش می‌دهد درنتیجه این طول موج‌ها یک ثانیه دیرتر از طول موج‌های کوتاه‌تر به زمین می‌رسند.

انفجارهای رادیویی سریع از کهکشان‌هایی با میلیون‌ها و میلیاردها فاصله‌ی نوری. از این انفجارها می‌توان برای ردیابی باریون‌های مفقود استفاده کرد

FRB-ها به‌عنوان گزینه‌ای برای اندازه‌گیری باریون‌های جهان مطرح شدند. با اندازه‌گیری میزان گسترش طول موج‌های مختلف در یک FRB، می‌توان میزان دقیق ماده (مقدار باریون‌ها) و امواج رادیویی عبوری تا زمین را محاسبه کرد.

پژوهشگران تا این مرحله، فاصله‌ی زیادی با پاسخ نهایی نداشتند اما تنها به یک قطعه پازل نیاز داشتند. برای اندازه‌گیری دقیق تراکم باریون‌ها، باید سرچشمه‌ی FRB را پیدا می‌کردند. در صورت شناسایی کهکشان منبع، به مسافت طی شده پی‌ می‌برند. باتوجه‌به میزان پراکندگی، می‌توانند مقدار ماده‌ی نفوذی به راه زمین را شناسایی کنند. متأسفانه، تلسکوپ‌ها در سال ۲۰۰۷ به اندازه‌ی کافی برای شناسایی دقیق کهکشان منبع و درنتیجه فاصله‌ی FRB، خوب نبودند. درنتیجه پاسخ به مسئله، به پیشرفت تکنولوژی و دستیابی به داده‌های مناسب وابسته بود.

نوآوری فناوری

۱۱ سال از شناسایی اولین FRB می‌گذرد. در اوت ۲۰۱۸، پروژه‌ای مشارکتی به‌نام CRAFT، از رادیو تلسکوپ ASKAP (مسیریاب آرایه‌ی کیلومتر مربعی استرالیایی) برای جستجوی FRB-ها استفاده کرد. این تلسکوپ که توسط CSIRO، سازمان ملی علوم در استرالیا راه‌اندازی شده است، قادر به بررسی نسبت‌های عظیمی از آسمان است که تقریبا ۶۰ برابر اندازه‌ی ماه کامل هستند و می‌تواند FRB-ها و سرچشمه‌ی آن‌ها را در آسمان شناسایی کند.

ASKAP یک ماه بعد از راه‌اندازی از اولین FRB عکس‌برداری کرد. پژوهشگران بلافاصله پس از شناسایی سرچشمه‌ی امواج، از تلسکوپ کک در هاوائی برای شناسایی کهکشان سرچشمه‌ی FRB و مسافت آن تا زمین استفاده کردند. اولین FRB در کهکشانی به‌نام DES J214425.25-405400.81 کشف شد که تقریبا ۴ میلیارد سال نوری با زمین فاصله دارد.

فناوری و تخصص به کمک آمدند. پژوهشگران برای پاسخ به پرسش، به اندازه‌گیری میزان توزیع از FRB و سرچشمه‌ی آن نیاز داشتند؛ اما برای ارزیابی مقدار قابل توجهی از باریون‌ها نیاز به اندازه‌گیری چند FRB داشتند. درنتیجه منتظر ماندند تا فضا سیگنال‌های بیشتری از FRB-ها را ارسال کند.

تا اواسط ژوئیه‌ی ۲۰۱۹، پنج رویداد دیگر هم ثبت شد که این تعداد برای اولین جستجوی ماده‌ی مفقود کافی بود. پژوهشگران با استفاده از معیارهای توزیع شش FRB کشف‌شده، قادر به محاسبه‌ی دقیق میزان ماده‌ای شدند که امواج رادیویی قبل از رسیدن به زمین از آن‌ها عبور کرده‌اند. آن‌ها بالاخره به میزان دقیق ۵ درصد ماده‌ی مرئی رسیدند. همچنین باریون‌های مفقود را به‌صورت کامل شناسایی کردند و با حل این مسئله، دو دهه پژوهش را جبران کردند.

تصویری از رابطه‌ی معیار توزیع FRB-ها (نقاط) در مقایسه با پیشگویی کیهانی (منحنی سیاه) است. این تطبیق، تأییدی بر کشف کل ماده‌ی مفقود است

نتیجه‌ی فوق اولین گام در پاسخ به میزان ماده‌ی موجود در جهان است. پژوهشگران تنها با شش نقطه‌ی داده‌ای، باریون‌ها را تخمین زده‌اند و هنوز نقشه‌ی جامعی از باریون‌های مفقود به دست نیامده است. وجود WHIM-ها و مقدار آن‌ها تقریبا اثبات شده است اما میزان توزیع آن‌ها هنوز مشخص نیست. ممکن است این گازها بخشی از شبکه‌ی وسیع گاز باشند که کهکشان‌هایی به‌نام شبکه‌ی کیهانی را به یکدیگر وصل می‌کنند؛ اما کیهان‌شناسان تقریبا با شناسایی 100 FRB می‌توانند نقشه‌ای دقیق را بکشند.