گانیمد، بزرگ‌ترین قمر منظومه شمسی، می‌تواند آشکارساز ماده تاریک باشد

ماده تاریک: معمای پنهان کیهان

اخترشناسان تخمین می‌زنند که تنها حدود ۵ درصد از کیهان از ماده معمولی تشکیل شده است. بخش عمده جهان را ماده تاریک (حدود ۲۷ درصد) و انرژی تاریک (حدود ۶۸ درصد) تشکیل می‌دهند. ماده تاریک، عنصری نامرئی است که نوری از خود ساطع نمی‌کند و تنها از طریق گرانش با ماده معمولی برهم‌کنش دارد. شواهد غیرمستقیم آن در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی دیده می‌شود، اما با توجه به اینکه به نظر می‌رسد پنج برابر بیشتر از ماده معمولی وجود دارد، دانشمندان به دنبال شواهد مستقیمی از وجود آن هستند.

تاکنون، نامزدهای متعددی برای ماده تاریک پیشنهاد شده‌اند، از جمله «آکسیون‌ها»، ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs)، نوترینوهای استریل و سیاه‌چاله‌های نخستین. با وجود آزمایش‌ها و روش‌های متعدد، هیچ ذره محتملی از ماده تاریک یا فرآورده‌های جانبی آن آشکار نشده است.

گانیمد: آشکارساز طبیعی ماده تاریک؟

ویلیام دروکو، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه مریلند، در مقاله جدید خود پیشنهاد می‌کند که گانیمد، بزرگ‌ترین قمر منظومه شمسی، می‌تواند آشکارساز ایده‌آلی برای ماده تاریک ماکروسکوپی باشد. این نوع ماده تاریک، برخلاف ذرات سبک‌تر، از اجرام پرجرم تشکیل شده که چگالی عددی بسیار پایینی دارند و به همین دلیل از آشکارسازهای کنونی می‌گریزند.

در حالی که بخش عمده‌ی توجه‌ها بر جستجوی ذرات جدیدی با برهم‌کنش‌های ذاتی ضعیف متمرکز شده است، یک الگوی جایگزین، با عنوان ماده تاریک ماکروسکوپی، پیشنهاد می‌دهد که ماده‌ی تاریک ممکن است در عوض از اجرام ماکروسکوپی پرجرم تشکیل شده باشد که چگالی عددی بسیار پایینی دارند و به همین دلیل از آشکارسازی‌های کنونی می‌گریزند.

دروکو توضیح می‌دهد که بازه‌های جرمی بزرگی برای نامزدهای ماده تاریک در محدوده ۱۰¹² تا ۱۰²² گرم و چگالی‌هایی از مقیاس اتمی تا هسته‌ای هنوز بررسی نشده‌اند. بررسی این فضا دشوار است، زیرا جرم بالا به معنای چگالی عددی بسیار پایین در کهکشان است؛ برای مثال، تنها یک ذره ماده تاریک با جرم ۱۰¹⁴ گرم، تقریباً هر ۱۰⁵ سال یک‌بار از زمین عبور می‌کند. بنابراین، جستجو برای چنین ماده تاریکی به آشکارسازهای عظیم با زمان یکپارچه‌سازی طولانی نیاز دارد.

گانیمد، قمری یخی که از عطارد هم بزرگ‌تر است و در طول ۲ میلیارد سال گذشته تغییر چندانی نکرده، می‌تواند برای این منظور مناسب باشد. به دلیل لایه‌های زیرسطحی تفکیک‌شده از نظر ترکیب، برخورد ماده تاریک با این قمر می‌تواند مواد زیرسطحی عمیقی را آزاد کند که برخوردهای معمولی قادر به انجامش نیستند و این امر، نشانه‌ای حیاتی برای تمایز تعاملات ماده تاریک از برخوردهای متعارف فراهم می‌کند.

مأموریت‌های آینده و نشانه‌های احتمالی

بر اساس پژوهش دروکو، دو مأموریت فضایی پیش‌رو، یعنی کاوشگر اقمار یخی مشتری (جوس) و اروپا کلیپر، می‌توانند با تصویربردارهای طیفی بسیار دقیق خود چنین نشانه‌هایی را آشکار کنند.

دهانه‌های کوچک (کمتر از ۱۰ کیلومتر) با حجم غیرعادی بالای مواد ذوب‌شده اهمیت ویژه‌ای دارند که ترکیبی به‌طور چشمگیر متفاوت از مناطق اطراف نشان می‌دهند، چرا که توضیح چنین ویژگی‌هایی با برخوردهای متعارف دشوار است.

دروکو در مدل‌سازی خود بر برخوردهای عمودی تمرکز کرده، اما پیشنهاد می‌دهد که برخوردهای کم‌عمق‌تر می‌توانند حتی برای این فضاپیماها آشکارتر باشند.

اگرچه این مطالعه بر ماده تاریک ماکروسکوپی تمرکز دارد که در حال حاضر به اندازه نامزدهای سبک‌تر محبوب نیست، بررسی دقیق‌تر گانیمد می‌تواند به یافتن شواهدی از چنین نامزدی کمک کند یا دست‌کم جستجوی ما را محدودتر سازد. حتی اگر نتایج قطعی نباشند یا هیچ نشانه‌ای پیدا نشود، فضاپیماهای مشتری همچنان مکان‌هایی برای بررسی دیگر نامزدها خواهند داشت؛ خود مشتری نیز به عنوان یک آشکارساز بالقوه ماده تاریک پیشنهاد شده است.

یافته‌های این پژوهش در پایگاه پیش‌انتشار آرکایو منتشر شده است.