دون لينكولن هو عالم بارز في Fermilab التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، أكبر مؤسسة بحثية في الولايات المتحدة. ويكتب أيضًا عن العلوم للجمهور ، بما في ذلك كتابه الأخير "The Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson وأشياء أخرى ستفجر عقلك" (مطبعة جامعة جونز هوبكنز ، 2014). يمكنك متابعته على Facebook. ساهم لينكولن في هذا المقال في أصوات خبراء Live Science: Op-Ed & Insights.
يعتبر العديد من الأشخاص الماهرين بالعلم أن من صنع الكون ليس فقط "مليارات ومليارات" المجرات التي تم اقتباسها كثيرًا من كارل ساجان ، ولكن أيضًا كمية هائلة من مادة غير مرئية تسمى المادة المظلمة. يُعتقد أن هذه المادة الغريبة هي نوع جديد من الجسيمات دون الذرية التي لا تتفاعل عبر الكهرومغناطيسية ، ولا القوى النووية القوية والضعيفة. من المفترض أيضًا أن تكون المادة المظلمة أكثر انتشارًا في الكون بخمس مرات من المادة العادية للذرات.
لكن الحقيقة هي أن وجود المادة المظلمة لم يثبت بعد. لا تزال المادة المظلمة فرضية ، وإن كانت مدعومة جيدًا. يجب على أي نظرية علمية عمل تنبؤات ، وإذا كان ذلك صحيحًا ، فيجب أن تتوافق القياسات التي تقوم بها مع التوقعات. وينطبق نفس الشيء على المادة المظلمة. على سبيل المثال ، تنبئ نظريات المادة المظلمة بمدى سرعة دوران المجرات. ولكن ، حتى الآن ، لم تتوافق القياسات التي تم إجراؤها على التوزيع التفصيلي للمادة المظلمة في مركز المجرات منخفضة الكتلة مع تلك التوقعات.
تغيرت الحسابات الأخيرة ذلك. يساعد الحساب في حل لغز علاقة Tully-Fisher ، التي تقارن المادة المرئية ، أو العادية ، للمجرة بسرعتها الدورانية. بعبارات مبسطة للغاية ، وجد العلماء أنه كلما كانت المجرة الحلزونية أكبر (وبالتالي أكثر سطوعًا) ، كلما كانت تدور بشكل أسرع.
ولكن إذا كانت المادة المظلمة موجودة ، فينبغي تحديد مدى "حجم" المجرة ليس من خلال المادة المرئية فحسب ، بل أيضًا من المادة المظلمة. مع وجود قطعة كبيرة من المعادلة - كمية المادة المظلمة - مفقودة ، لا ينبغي أن تستمر علاقة Tully-Fisher. ومع ذلك. كان من الصعب تخيل أي طريقة للتوفيق بين هذه العلاقة ونظرية المادة المظلمة الموجودة. الى الآن.
أصول المادة المظلمة
يرجع تاريخ أول حبر إلى أنه قد تكون هناك حاجة لشيء مثل المادة المظلمة إلى عام 1932. قام عالم الفلك الهولندي يان أورت بقياس السرعات المدارية للنجوم داخل مجرة درب التبانة ووجد أنها تتحرك بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن تفسيرها بالكتلة المرصودة للمجرة.
تدور النجوم حول مجرتهم الأم في مسارات دائرية تقريبًا والجاذبية هي القوة التي تحمل النجوم في تلك المدارات. تتوقع معادلات نيوتن أن القوة التي تجعل النجوم تتحرك في مسار دائري ، F (دائري) ، يجب أن تساوي القوة بسبب الجاذبية على النجم ، F (الجاذبية) ، وإلا فإن النجم سيطير إلى الفضاء أو يسقط في مركز المجرة. بالنسبة لأولئك الذين يتذكرون فيزياء المدرسة الثانوية ، فإن F (دائري) عبارة عن بيان الجمود وهي مجرد F = ma لنيوتن. F (الجاذبية) هو قانون الجاذبية الكونية لنيوتن.
بالقرب من مركز المجرات ، وجد روبن وفورد أن F (دائري) يساوي تقريبًا F (الجاذبية) ، كما هو متوقع. ولكن بعيدًا عن مركز المجرات ، لم يتطابق طرفا المعادلة جيدًا. بينما اختلفت التفاصيل من مجرة إلى مجرة ، كانت ملاحظاتهم عالمية بشكل أساسي.
مثل هذا التناقض الدرامي يحتاج إلى تفسير. بالقرب من مركز المجرات ، كانت قياسات روبن وفورد تعني أن النظرية كانت تعمل ، في حين أن التناقض في المسافات المدارية الأكبر يعني أن شيئًا ما يحدث لم تستطع النظريات الموجودة تفسيره. كشفت رؤاهم أنه إما أننا لا نفهم كيف يعمل القصور الذاتي (على سبيل المثال ، F (دائري)) ، أو أننا لا نفهم كيف تعمل الجاذبية (على سبيل المثال ، F (الجاذبية)). الاحتمال الثالث هو أن علامة المساواة خاطئة ، وهذا يعني أن هناك قوة أو تأثير آخر لا تتضمنه المعادلة. كانت تلك الاحتمالات الوحيدة.
شرح التناقضات
في الأربعين عامًا منذ عمل روبن وفورد الأصلي ، اختبر العلماء العديد من النظريات في محاولة لتفسير اختلافات دوران المجرات التي وجدوا. اقترح الفيزيائي موردهيهاي ميلجروم تعديل القصور الذاتي ، يسمى "ديناميكيات نيوتن معدلة" ، أو MOND. في شكلها الأولي ، افترضت أنه عند التسارع المنخفض للغاية ، لم تعمل معادلة نيوتن F = ma.
اقترح فيزيائيون آخرون تعديلات على قوانين الجاذبية. لا تساعد النسبية العامة لأينشتاين هنا لأن تنبؤات أينشتاين ونيوتن متطابقة بشكل أساسي في هذا المجال. ولا يمكن أن تكون نظريات الجاذبية الكمومية ، التي تحاول وصف الجاذبية باستخدام الجسيمات دون الذرية ، التفسير لنفس السبب. ومع ذلك ، هناك نظريات الجاذبية التي تتنبأ بمقاييس المجرة أو خارج المجرة والتي تختلف عن الجاذبية النيوتونية. لذا ، هذه خيارات.
ثم هناك تنبؤات بوجود قوى جديدة. تم تجميع هذه الأفكار معًا تحت اسم "القوة الخامسة" ، والتي تعني قوة تتجاوز الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوى النووية القوية والضعيفة.
أخيرًا ، هناك نظرية المادة المظلمة: أن نوعًا من المادة لا يتفاعل مع الضوء على الإطلاق ، ولكنه يمارس قوة جاذبية ، يتخلل الكون.
إذا كانت قياسات الدوران المجري هي البيانات الوحيدة التي لدينا ، فقد يكون من الصعب الاختيار بين هذه النظريات المختلفة. بعد كل شيء ، قد يكون من الممكن تعديل كل نظرية لحل مشكلة دوران المجرة. ولكن هناك الآن العديد من الملاحظات حول العديد من الظواهر المختلفة التي يمكن أن تساعد في تحديد النظرية الأكثر معقولية.
الأولى هي سرعة المجرات داخل مجموعات كبيرة من المجرات. تتحرك المجرات بسرعة كبيرة جدًا حتى لا تبقى التكتلات مُقيدة معًا. ملاحظة أخرى هي الضوء من المجرات البعيدة جدا. تُظهر ملاحظات هذه المجرات القديمة البعيدة جدًا أن ضوءها مشوّه بالمرور عبر حقول الجاذبية لمجموعات مجرات أكثر قربًا. هناك أيضًا دراسات عن عدم التماثل الصغير لخلفية الميكروويف الكونية التي هي صرخة ولادة الكون. يجب أيضًا معالجة جميع هذه القياسات (وغيرها الكثير) من خلال أي نظرية جديدة لشرح سرعات دوران المجرة.
أسئلة المادة المظلمة التي لم تتم الإجابة عليها
قامت نظرية المادة المظلمة بعمل معقول في التنبؤ بالعديد من هذه القياسات ، وهذا هو السبب في أنها تحظى باحترام جيد في المجتمع العلمي. لكن المادة المظلمة لا تزال نموذجًا غير مؤكد. كل الأدلة على وجودها حتى الآن غير مباشرة. إذا كانت المادة المظلمة موجودة ، فينبغي أن نكون قادرين على مراقبة تفاعلات المادة المظلمة مباشرة أثناء مرورها عبر الأرض وقد نتمكن من صنع المادة المظلمة في مسرعات الجسيمات الكبيرة ، مثل مصادم الهادرون الكبير. ومع ذلك ، لم يكن أي من النهجين ناجحًا.
بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تتوافق المادة المظلمة مع جميع الملاحظات الفلكية ، وليس فقط العديد منها. في حين أن المادة المظلمة هي النموذج الأكثر نجاحًا حتى الآن ، إلا أنها ليست ناجحة تمامًا. تتوقع نماذج المادة المظلمة عددًا أكبر من المجرات الساتلية القزمة المحيطة بالمجرات الكبرى مثل درب التبانة أكثر مما تم اكتشافه بالفعل. على الرغم من العثور على المزيد من المجرات القزمة ، لا يزال هناك عدد قليل جدًا مقارنة بتنبؤات المادة المظلمة.
سؤال آخر كبير ومفتوح هو كيف تؤثر المادة المظلمة على العلاقة بين سطوع المجرات وسرعتها الدورانية. تسمى هذه العلاقة ، التي تم تقديمها لأول مرة في عام 1977 ، علاقة Tully-Fisher ، وقد أظهرت مرات عديدة أن الكتلة المرئية للمجرة ترتبط جيدًا بسرعتها الدورانية.
تحديات صعبة للمادة المظلمة
لذا ، هذا ينهي القصة الخلفية. ما الجديد؟
تعتبر علاقة Tully-Fisher تحديًا صعبًا لنماذج المادة المظلمة. يحكم دوران المجرة الكمية الإجمالية للمادة التي تحتوي عليها. إذا كانت المادة المظلمة موجودة حقًا ، فإن الكمية الإجمالية للمادة هي مجموع كل من المادة العادية والمظلمة.
لكن نظرية المادة المظلمة الحالية تتنبأ بأن أي مجرة عشوائية قد تحتوي على أجزاء أكبر أو أصغر من المادة المظلمة. لذا ، عندما يقيس المرء الكتلة المرئية ، فمن المحتمل أن تفقد جزءًا كبيرًا من الكتلة الكلية. ونتيجة لذلك ، يجب أن تكون الكتلة المرئية مؤشرًا ضعيفًا جدًا للكتلة الإجمالية (وبالتالي سرعة الدوران) للمجرة. يمكن أن تكون كتلة المجرة مماثلة للكتلة المرئية (العادية) أو قد تكون أكبر بكثير.
وبالتالي ، لا يوجد سبب لتوقع أن تكون الكتلة المرئية مؤشرًا جيدًا على سرعة دوران المجرة. ومع ذلك.
في الواقع ، في ورقة نشرت هذا العام ، استخدم المتشككون في المادة المظلمة قياسات علاقة Tully-Fisher لمجموعة متنوعة من المجرات للتجادل ضد فرضية المادة المظلمة ولنسخة معدلة من القصور الذاتي ، مثل MOND.
مناسب بشكل أفضل للمادة المظلمة
ومع ذلك ، في ورقة نشرت في يونيو ، أعطى العلماء نماذج المادة المظلمة دفعة كبيرة. ليس فقط أن العمل الجديد يعيد إنتاج نجاحات التنبؤات السابقة لنموذج المادة المظلمة ، بل يعيد إنتاج علاقة Tully-Fisher.
الورقة الجديدة هي نموذج "شبه تحليلي" ، مما يعني أنها مزيج من المعادلات التحليلية والمحاكاة. إنه يحاكي تكتل المادة المظلمة في الكون المبكر الذي قد يكون قد أرسى تكوين المجرة ولكنه يتضمن أيضًا تفاعل المادة العادية ، بما في ذلك أشياء مثل ارتداد المادة العادية إلى جسم سماوي آخر بسبب سحبها الجاذبي وتكوين النجوم وتسخينها من الغاز المتصاعد من النجوم والنجوم المتفجرة. من خلال ضبط المعلمات بعناية ، كان الباحثون أكثر قدرة على مطابقة علاقة Tully-Fisher المتوقعة. مفتاح الحساب هو أن السرعة الدورانية المتوقعة تتضمن قيمة واقعية لنسبة الباريونات إلى المادة المظلمة في المجرة.
الحساب الجديد هو خطوة إضافية مهمة في التحقق من نموذج المادة المظلمة. ومع ذلك ، فهي ليست الكلمة الأخيرة. يجب أن تتفق أي نظرية ناجحة مع جميع القياسات. الفشل في الموافقة يعني أن النظرية أو البيانات خاطئة ، أو على الأقل غير مكتملة. لا تزال هناك بعض الاختلافات بين التنبؤ والقياس (مثل عدد المجرات الساتلية الصغيرة حول المجرات الكبيرة) ، لكن هذه الورقة الجديدة تعطينا الثقة في أن العمل المستقبلي سيحل هذه الاختلافات المتبقية. تبقى المادة المظلمة نظرية تنبؤية قوية لهيكل الكون. إنه غير كامل ويحتاج إلى التحقق من خلال اكتشاف جسيم المادة المظلمة الفعلي. لذا ، لا يزال هناك عمل يجب القيام به. لكن هذا الحساب الأخير هو خطوة مهمة نحو اليوم الذي سنعرف فيه مرة وإلى الأبد إذا كان الكون يسيطر عليه بالفعل الجانب المظلم.
