کشف ماده گمشده کیهان با کمک انفجارهای رادیویی سریع

راز ماده معمولی و ماده تاریک

بخش عمده‌ای از ماده موجود در جهان، نامرئی است و تنها از طریق تأثیرات گرانشی قابل تشخیص است که به آن ماده تاریک گفته می‌شود. در مقابل، ماده‌ای که ما با آن آشنا هستیم، مانند اتم‌ها، سیارات و انسان‌ها، تنها ۱۶ درصد از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد. این ماده که به آن ماده معمولی یا باریونیک گفته می‌شود، نور را منتشر می‌کند و قابل مشاهده است. با این حال، بخش قابل توجهی از آن به صورت بسیار رقیق در هاله‌های اطراف کهکشان‌ها یا به صورت شناور در فواصل عظیم بین کهکشان‌ها پراکنده شده بود.

به دلیل پراکندگی شدید این ماده، دانشمندان برای مدت‌های طولانی قادر به شناسایی بیش از نیمی از آن نبودند. این بخش گمشده، اکنون با موفقیت کشف شده و پرونده آن بسته شده است.

انفجارهای رادیویی سریع: چراغ‌های کیهانی

دانشمندان «موسسه فناوری کالیفرنیا» (Caltech) و «مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان» (Harvard & Smithsonian) در مطالعه‌ای جدید، از انفجارهای رادیویی سریع استفاده کردند تا برای اولین بار ماده معمولی گمشده را پیدا و اندازه‌گیری کنند. این انفجارها، جرقه‌های کوتاه و قدرتمندی از انرژی هستند که میلیاردها سال نوری را طی می‌کنند.

«انفجارهای رادیویی سریع از میان مهِ محیط بین کهکشانی می‌تابند و ما می‌توانیم با اندازه‌گیری دقیق میزان کندی نور، وزن این مه را بسنجیم، حتی زمانی که نور آنقدر کم باشد که قابل مشاهده نباشد.»

– لیام کانر، استادیار هاروارد و نویسنده ارشد مطالعه

این تیم تحقیقاتی، ۶۹ انفجار رادیویی سریع مختلف را بررسی کردند که در فواصلی از حدود ۱۱.۷۴ میلیون تا ۹.۱ میلیارد سال نوری قرار داشتند. دورترین انفجار رادیویی سریع ثبت شده تاکنون، با نام «FRB 20230521B» نیز در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفت. اگرچه بیش از هزار انفجار رادیویی سریع کشف شده، اما تنها حدود ۱۰۰ مورد از آنها تا کهکشان‌های مبدأ ردیابی شده‌اند.

مشاهده جهان از طریق سایه‌های رادیویی

انفجارهای رادیویی سریع، علاوه بر جذابیت ذاتی خود، در این مطالعه به عنوان ابزاری برای شناسایی ماده معمولی گمشده به کار رفتند. هنگامی که نور فرکانس رادیویی از این انفجارها به زمین می‌رسد، به طول موج‌های مختلفی پخش می‌شود. میزان این پخش شدن یا پراکندگی، به مقدار ماده‌ای که در مسیر نور قرار دارد، بستگی دارد.

«این موضوع مانند آن است که سایه همه باریون‌ها را با انفجارهای رادیویی سریع به عنوان نور پس‌زمینه می‌بینیم. اگر یک نفر را جلوی خودتان ببینید، می‌توانید خیلی چیزها در موردش بفهمید، اما اگر فقط سایه‌اش را ببینید، باز هم می‌دانید که آنجا است و تقریباً چقدر بزرگ است.»

– وایکرام راوی، استادیار نجوم

توزیع ماده معمولی در کیهان

نتایج این مطالعه نشان داد که:

• ۷۶ درصد از ماده معمولی جهان در فضای بین کهکشان‌ها، موسوم به «محیط میان‌کهکشانی» (intergalactic medium) قرار دارد.
• حدود ۱۵ درصد در هاله‌های کهکشانی متمرکز شده است.
• و ۷۵ درصد داخل کهکشان‌ها، مانند ستاره‌ها یا گاز سرد کهکشانی، یافت می‌شود.

این توزیع با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی‌های کیهان‌شناسی پیشرفته مطابقت دارد، اما تا کنون به صورت رصدی تأیید نشده بود. این یافته‌ها به دانشمندان کمک می‌کند تا بهتر بفهمند که کهکشان‌ها چگونه رشد می‌کنند و همچنین نشان می‌دهد که انفجارهای رادیویی سریع چگونه می‌توانند به حل مشکلات کیهان‌شناسی، مانند تعیین جرم ذرات زیراتمی مانند نوترینوها، کمک کنند. مدل استاندارد فیزیک پیش‌بینی می‌کند که این ذرات نباید جرمی داشته باشند، اما مشاهدات نشان داده‌اند که آنها مقدار بسیار ناچیزی جرم دارند. بنابراین، دانستن جرم دقیق آنها ممکن است به فیزیک جدیدی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ذرات منجر شود.

آینده‌ای روشن برای کیهان‌شناسی

دانشمندان این مطالعه را آغاز استفاده از انفجارهای رادیویی سریع در کیهان‌شناسی می‌دانند. تلسکوپ رادیویی «DSA-2000» که در آینده در صحرای نوادا ساخته خواهد شد، بر پایه مطالعاتی مشابه بنا نهاده می‌شود. این آرایه رادیویی سالانه تا ۱۰ هزار انفجار رادیویی سریع را پیدا و مکان‌یابی می‌کند و نقش آنها را به عنوان کاوشگرهای ماده معمولی افزایش می‌دهد و دانش کلی ما را از این انفجارهای شدید بیشتر می‌کند.

این مطالعه در مجله معتبر Nature Astronomy منتشر شده است.