نقاش محموم حول المادة المظلمة في الكون Dark Matter

ترجمة: م.م صهيب الكمال
لمتابعة الرابط الاصلي للمقالة في المجلة الفلكية اضغط على الرابط ادناه:
http://www.astronomy.com/news/2017/11/kavli-foundation-dark-matter-roundtable

اقامت مؤسسة كالفي ندوة تضمنت مناقشة مطولة لدراسة المادة المظلمة في الكون.

 

وتهدف مؤسسة "كافلي" إلى تعزيز العلم بين الجمهور ودعم العلماء الذين يعملون بلا كلل لفهم عالمنا (بما في ذلك الكون). ومؤخرا، استضافت المؤسسة نقاش مائدة مستديرة بين ثلاثة علماء يعملون في مجالات علم الكونيات والفيزياء والفيزياء الفلكية لفتح أسرار واحدة من أكثر المواد انتشارا وغامضة في الكون: المادة المظلمة.

في شهر آب / أغسطس، أصدر علماء الفلك الخريطة الأكثر حداثة للمادة المظلمة التي تنتشر في عالمنا. هذه الخريطة، في الوقت التي تتفق مع نظرية الانفجار الكبير، لا تزال تترك الكثير من الأسئلة دون إجابة عن المادة المظلمة ووجودها. وتبين المناقشة الواردة أدناه، والتي ظهرت على موقع مؤسسة كافلي، الحالة الراهنة للبحث الكوني والأسئلة التي يطرحها الباحثون حاليا، استنادا إلى أحدث النتائج المستخلصة من مسح الطاقة المظلمة.

ألمشاركين 

في مناقشة المائدة المستديرة حول المادة المظلمة، جمعت مؤسسة كافلي معا عالم الكون سكوت دوديلسون، الفيزيائي ريسا ويشسلر، وعالم الفيزياء الفلكية جورج إفستاثيو. وتضمنت الدائرة المستديرة مناقشة مسح الطاقة المظلمة، وهو تعاون دولي يركز على تسليط الضوء على الطاقة المظلمة المسؤولة عن الإسراع في توسع الكون.

وفيما يلي نص منقح لمناقشات المائدة مستديرة. وقد أتيحت للمشاركين الفرصة لإجراء تعديلات على  ملاحظاتهم.

تظهر صورة هابل سبيس تليسكوب موقع المادة المظلمة (اللون الأزرق) في كتلة المجرة الهائلة. قام علماء الفلك بتعيين المادة المظلمة باستخدام المجرات التي تظهر مشوهة في العدسة  والتي ايضاً تظهر كأقواس في الصورة.
ناسا / جبل-كالتيش / إسا / معهد الفيزياء الفلكية في الأندلس، جامعة الباسك / جي اج او
 
مؤسسة كافلي: أكدت دراسة الطاقة المظلمة أن المادة في الكون كما نعلم أنها تشكل أربعة في المئة فقط من الكون. وهذا يعني ان 96 في المئة هي  فقط اشياء التي لا يمكن أن نراها ولا نتلمسها، وليس لدينا ادنى فكرة ما هذه الاشياء حقا. لماذا هذه النتائج الجديدة في الواقع أخبار جيدة؟

ريسا ويشلر: يبدو غريبا جدا أن النتائج هي أخبار جيدة، أليس كذلك؟ قبل أربعين عاما، لا أحد قد خمن أننا نعيش على ما يبدو في الكون الذي معظمه هو اشياء لا تتفاعل معنا، ومعظم الطاقة ليست حتى مادة! انها لا تزال شيء يصعب على العقل تفسيره. 

ولكننا حافظنا على إجراء قياسات دقيقة على نحو متزايد للكون، وهذا هو المكان الذي تأتي فيه نتائج مسح الطاقة المظلمة، وهي القياسات الأكثر دقة لكثافة المادة وكيف يتم تجميعها في "الكون المحلي". في الماضي، قمنا بقياس كثافة المادة في الكون النائي البعيد. وبالتالي فإن مسح الطاقة المظلمة يسمح لنا حقا لاختبار فهمنا لتطور الكون، والتي قمنا بإضفاء الطابع الرسمي كنموذج قياسي من علم الكون المتعلق بالانفجار الكبير، بطريقة جديدة تماما.
ومع ذلك، فمن المؤكد أنه قد يكون لدينا شيء خاطئ. 

التكوين الكوني في العقود الأخيرة، استقر العلماء على نموذج الكون الذي هو في الغالب غير مرئي وغير معروف. ان النموذج يعرف باسم النموذج القياسي لعلم الكون بال Big Bang
فإنه ينص على أن المادة في الكون كما نعرفها – تضم الناس والكواكب والنجوم – ليست سوى حوالي 4 إلى 5 في المئة من مجموع التكوين الكوني. وحوالي 26 في المئة من الكون مادة مظلمة،و يعتقد أنها مصنوعة من جزيئات ضخمة لا ينبعث منها الضوء وتتفاعل بشكل ضعيف فقط مع المادة الطبيعية. والباقي هو الطاقة المظلمة، وهي القوة التي تُسرع توسع الكون وتشكل ما يقرب من 70 في المئة في الواقع. كل هذه المكونات الكونية تعود إلى أصل الكون في الانفجار الكبير، قبل حوالي 13.8 مليار سنة.
 

سكوت دوديلسون: هذه البيانات، جنبا إلى جنب مع القياسات الدقيقة التي كانت من ضمن مشاريع أخرى، قد تُظهر  تلميحات من اعتراضات تصدر ن بعض المراقبين. 

وكما قالت ريسا، نحن لسنا على يقين من أن طريقة تفكيرنا الحالية صحيحة لأنها تتطلب منا أساسا لتشكيل  الأشياء، وهي المادة المظلمة والطاقة المظلمة. يمكن أن يكون أننا حقا  قريبين من الثورة العلمية التي من شأنها أن تعزز فهمنا الكامل عن علم الكونيات.

جورج إفستاثيو: هذه القياسات للمادة والطاقة في الكون البعيد الذي ذكرته ريسا تم الحصول عليه من قبل بضع سنوات، عندما بدا برنامج مختلف يسمى" بلانك" في تفحص الإشعاع في بقايا الانفجار الكبير، الذي نسميه الميكروويف الكوني :
Cosmic Microwave Background

 على الرغم من أن قياسات المركبة الفضائية "بلانك" تدعم النموذج الذي نتحدث عنه، فإن المرء غير مستقر دائما أن يفرض أشياء معينة، مثل المادة المظلمة والطاقة المظلمة، التي لم يتم ملاحظتها بعد. هذا هو السبب في مسح الطاقة المظلمة ، فإنه يمكن عمل اختبار صارم التي يمكننا من معرفة ولادة الكون من خلال مقارنتها مع الهيكل الفعلي للكون الحالي.
تي كي اف: بدأ مسح الطاقة المظلمة قبل أربع سنوات، لذلك كنت انتظر وقتا طويلا لهذه النتائج لتأتي. ما هو رد فعل الأولي الخاص بك؟

دوديلسون: كانت تجربة مدهشة من حياتي العلمية. في 7 يوليو 2017، وهو تاريخ سوف أتذكره دائما، كان لدينا 50 شخصا انضموا إلى مؤتمر عبر الهاتف. لم يكن أحد يعرف ما هي البيانات التي سوف يقال لأنها كانت غامضة بشكل متعمد،  وكانت النتائج تظهر طابع الانحياز ولم تكن حيادية. ثم قام أحد قادة تحليل العدسة، مايكل تروكسيل، بتشغيل برنامج نصي للكمبيوتر على البيانات، دون ربطه، وشارك شاشته مع الجميع على المكالمة. نحن جميعا قمنا برؤية نتائجنا مقارنة مع نتائج بلانك. وكانت النتائج متوافقة مع بعضها البعض، . نحن جميعا  اذهلنا بالنتائج.

ويشلر: كنت في ذلك المؤتمر عبر الهاتف أيضا. كان حقا مشوقاً. لقد كنت أعمل على هذا المسح منذ أن كتبنا أول اقتراح في عام 2004، لذلك شعرت وكأنها تتويجا.

تي كي اف: في عام 2013، قدم لنا بلانك صورة "مصغرة" دقيقة للغاية للكون. الآن لدينا صورة دقيقة للغاية للكون في فترة لاحقة. جورج، كنت رائد في مهمة بلانك. ماذا ترى عندما تنظر إلى هاتين اللقطتين المختلفتين في الوقت المناسب؟
إفستاثيو: الصورة "المصغرة"

Baby Picture of the Universe

 تتسق مع الكون ومعظمها متكون من المادة المظلمة والطاقة المظلمة. كما أنه يتسق مع فكرة أن الكون خضع لتوسع هائل في لحظاته الأولى، والذي يعرف باسم التضخم. فكيف تستقر صورة  الكون الحديث "الاخذ بالنمو"؟

Grown up Universe

 كما تظهر نتائج مسح الطاقة المظلمة الجديدة، ان الصور  متسقة بشكل ملحوظ.
دودلسون: نحن جميعا مندهشين أن هاتين الصورتين توافقان على المدى الذي تقوم به. إليك مثال. لنفترض أنك اشتريت أسهم بيركشاير هاثاواي في عام 1970. قل أنه كان $ 10 حصة ثم واليوم انها 250،000 $ للسهم. إذا كان عليك أن تتوقع مرة أخرى أن اليوم سيكون 250،000 $، زائد أو ناقص 1000 $، كان الناس قد فكرت بأنك شخص مجنون. ولكن في الأساس، هذا ما قمنا به. عندما كان الكون صغيرا جدا، فقط 380،000 سنة، وكان أيضا جدا "على نحو سلس". كانت المادة موزعة بالتساوي جدا. اليوم على الرغم من أن أكثر من 13 مليار سنة في وقت لاحق وان المادة في الكون متكتلة بشكل كبير للغاية في المجرات والنجوم والكواكب وغيرها من الأجسام. هذا هو ما يمكن توقعه مع التوسع الكوني، ومع مسح الطاقة المظلمة، وقد كنا قادرين على تأكيد التنبؤ بهذا التفاوت الكوني لدرجة ملحوظة.

ويشلر: ما ساعدنا حقا في إجراء قياسات دقيقة مع مسح الطاقة المظلمة هو أننا لأول مرة، ونحن نبحث على مساحة أكبر بكثير حوالي واحد على ثلاثين من حجم السماء. هذا ما يعادل ثلاث أو أربع مرات أكبر من  خريطة المادة المظلمة التي قدمناها سابقاً. ونحن قادرون أيضا على جعل تلك الخريطة أكثر من نصف عمر الكون من الآن وحتى حوالي سبعة مليارات سنة مضت، عن طريق جمع الضوء المشرق من المجرات البعيدة. لذلك نحن توصلنا الى معرفة أكثر من نصف تاريخ الكون.

هناك بعض الخلافات الصغيرة مع نتائج بلانك، ولكن لا أعتقد أننا يجب أن نكون قلقين جدا حول هذه النتائج.

إفستاثيو:  لكان  شيء مثير للاهتمام جدا في حال كانت النتائج قد زادت بشكل كبير من التوتر مع النموذج القياسي الكوني، الذي هو الأساس لفهم لماذا الكون يشهد توسعا متسارعا بدءاً من الانفجار الكبير. وقد أشارت بعض الدراسات الاستقصائية السابقة إلى أنه قد تكون هناك مشكلة، على الرغم من أنني اعتقدت أن هذه النتائج مشكوك فيها. ومن وجهة نظري، ينبغي للمرء أن يعتمد على البيانات ولا يرتعب إذا كانت نظرياتنا لا تتوافق على التقصي والمراقبة. 
 
 
هذه الصور من مسح الطاقة المظلمة تظهر النجوم التي تعرف ب:

300-odd

يعتقد أنها تنتمي إلى الأقمار القزمة في المجرة  من درب التبانة (الجهة اليمين). تظهر الصورة اليسرى نفس مجال الرؤية، ولكن مع المجرات الخلفية (وليس النجوم التي تنتمي إلى الجسم القزم) والتي تكون غامضة في الرؤية.

 

تي كي أف: " وصفت صحيفة ناتشر نيوز وجهة نظر جورج حول التناقضات بأنها مثيرة للقلق"
إفستاثيو: حسنا، نعم، كانت هناك بعض ادعاءات بوجود توتر في التكتل الذي  يقاس في الكون "المحلي" ومراقبات بلانك المأخوذة من الكون البعيد. وقد أشارت بعض الملاحظات الأخرى إلى أن الكون "المحلي" آخذ في التوسع في وقت متأخر بمعدل أسرع من المتوقع من بلانك.

إذا كنا قادرين على القول بشكل مقنع أن هناك مشكلة حقيقية تطرحها أي من هذه القطع الفردية من البيانات، ثم علينا أن نتخلى عن نموذجنا القياسي لعلم الكونيات. نحن بحاجة إلى فيزياء جديدة، وهذا النوع من الفيزياء التي نحتاج إليها سيكون في الأراضي الغريبة

Exotic Territories

والتي ستغير كثير من القوانين الفيزيائية التي أُثارات لعقود من الزمن القوانين. 
في الماضي، هذه الأنواع من التوترات ظهرت وتلاشت . عندما عرضنا بحوث المستقصاة من بلانك عام 2013، كانت النتائج في خلاف مع معظم الفيزياء الفلكية. وبعد ذلك بعامين، اختفت بعض هذه التوترات، والآن في عام 2017، أعادت الظهور. لذلك هذه الأمور تأتي وتذهب بين الفينة والاخرى. نحن بحاجة إلى وضع منطلق لعلمنا قبل إطلاق  تفسيرات تستند على أساس الفيزياء الجديدة.

 

تي كي اف: "يبدوالموضوع تقريبا كالمثل الشعبي الدارج، إذا لم  يكسرالشيء  بعد، لا تقوم بإصلاحه"
“if it ain’t broke yet, don’t fix it.” إفستاثيو: "نحن بحاجة للتأكد من انها تكسر قبل إصلاحها".

ويشلر: أنا أتفق مع جورج. هناك حاجز كبير جدا لفهم جميع المصادر المحتملة للخطأ قبل اتخاذ قفزة كبيرة من التخلي عن مفهومنا الحالي حول الكون. وهذا يعني أننا يجب أن نكون متحمسين حقا لاستمرار مسح الطاقة المظلمة، فضلا عن جميع المسوحات والمشاريع القادمة الأخرى.

تي كي اف: في الواقع تستند هذه النتائج الجديدة على قيمة سنة من القياسات من أصل  خمس سنوات. ما الذي يمكن أن نتوقعه بعد مرور أربع سنوات أخرى من البيانات؟

ويشلر: مع أربعة أضعاف البيانات،ستكون خريطة  المادة المظلمة التي لدينا أكثر دقة. وأتوقع أيضا بأن هناك ستكون تحسينات في طرق التحليل التي لدينا. سيكون هناك أيضا مجموعة من الأشياء الجديدة الأخرى التي يجب أن يكتشفها مسح الطاقة المظلمة، بما في ذلك المجرات القزم الجديدة حول مجرتنا درب التبانة التي كنا نعتقد منذ فترة طويلة يجب أن تكون هناك ولكن لم نتمكن من العثور عليها. هناك الكثير  يمكن ان نتطلع إلى استطلاعه!

دوديلسون: زيادة الدقة التي عرضته ريسا  سوف يمكننا من الوصول الى النموذج القياسي للعلم الكونيات الذي من الصعب جدا سابقا الوصول اليه . إن نشر النموذج الحالي سيحدث ثورة في الطريقة التي نفكر بها في الكون، وهذا هو الشيء الأكثر إثارة الذي يمكنني تخيله.

تي كي اف: كيف يقوم علماء الفيزياء الفلكية بتمديد البحث عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة؟ ريسا، دعونا نبدأ معكِ، لأنك تشاركين عن كثب في مشاريع الجيل القادم المتعلقة في "الكون المظلم".

ويشلر: مع وجود أداة الطاقة الطيفية في الظلام، أو ديسي [وضوحا "ديز-إي"]،  سوف نحصل على ما نسميه الأطياف، أو المراقبات التفصيلية للضوء من حوالي 35 مليون من المجرات والكوازارات (الاجسام السماوية العملاقة النائية)، والتي هي المجرات التي تظهر في إشراق عالي لأن الثقوب السوداء المركزية تلتهم المادة بشكل نشط. هذا حوالي 10 أضعاف البيانات من ألاطياف التي جمعناها من جميع الاجهزة، لذلك يمكنك أن تتخيل أنه ستكون حقا التفاته مهمة. مع وجود مهمة دي اي اس اي ، نحن سوف نكون قادرين على قياس معدل توسع الكون بشكل مستقل وكذلك قياس سرعة هيكل المادة والمواد المظلمة التي  تنمو، وكلاهما تتأثر بالطاقة المظلمة. ثم عند مقارنة تلك القياسات، يمكننا الحصول على اختبار دقيق للفيزياء التي تحكم الكون. وسوف تبدأ دي اي اس اي في عام 2019 باستخدام تلسكوب في ولاية اريزونا.

 
LSST Project
سوف يحتوي هذا المشروع على  على مرآة بحجم 8.4 متر واستخدام كاميرا 3200 ميجابيكسل لخلق صور من السماء التي كل صورة تعادل 40 أضعاف حجم كامل للقمر. 

 

ان المرقاب الجديد الآخر الذي أعمل عليه هو تليسكوب المسح المجهري الكبير LSST وسوف يجعل هذا الجهازمن  الملاحظات تماما مثل مسح الطاقة المظلمة، ولكن في دقة أعلى بكثير. في الواقع، وسوف تغطي حوالي أربعة أضعاف من المساحة التي وصلنا اليها، وان مليارات من المجرات التي سيراها المرقاب سيكون أعمق بكثير وأبعد بشكل كبير. سيكون للمرقاب مرصد جديد، يجري بناؤه في دولة شيلي ، ومن المقرر أن يبدأ  العمل عليه  عام 2022.

دوديلسون: تخميني هو أن كلا المشروعين سوف يثير أسئلة علمية جديدة. ولقد رأينا هذا بالفعل  مع مسح الطاقة المظلمة. ان ألاسئلة التي تثار تتغير مع مرور الوقت وتتطور ايضا، لذلك أنا لست متأكدا من أننا نعرف ما الشيء الأكثر إثارة ونحن سوف نعرف اشياء اخرى من المرقاب الجديد ومن مهمة دي اي اس اي. 

 

إفستاثيو: كان أحد آمالي في بلانك هو أن النموذج القياسي لعلم الكونيات سيظهر لنا جلياً ولكن لم يحدث ذلك.  هل ذلك سيكون حدث كبيرا جدا لعلم الكونيات والفيزياء إذا حدث هذا؟ لذلك يجب علينا نملئ ثغرات كثيرة في بحوثنا ونرى مالذي يحدث. ربما سنكون محظوظين.

تي كي اف: إذا كان لديك مجال لوضع رهان على ماذا تعني المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، أين ستضع هذا الرهان؟

 

دوديلسون: نحن نعيش في عصر التنافر المعرفي. هناك  ادلة كونية كثيرة لوجود المادة المظلمة، ولكن على مدى السنوات الثلاثين الماضية، قمنا بتفعيل كل هذه التجارب ولم نعثر عليها. رهاني هو أننا ننظر إلى الأشياء كلها خاطئة. شخص بعمر 8 سنوات  اليوم  سوف يقوم بمعرفة كيفية جعل معنى لجميع البيانات دون استحضار مواد جديدة غامضة.

إفستاثيو: ما هي الاحتمالات التي تعطيها على ذلك، سكوت؟

 

دوديلسون: أراهن على 2000 دولار من أموال جورج. ضحك

 

إفستاثيو: أنا لن أراهن على أي مرشح محدد للمادة المظلمة. لكني أراهن أن الطاقة المظلمة هي الثابت الكوني، وهو  "هراء" الذي اخترعه آينشتاين يصف كثافة الطاقة في الخواء Vacuum 

 

ويشلر: أنا أساسا مع جورج . أعتقد إذا كان سكوت  محقا، سيكون ذلك  رائعاً، ولكن هذا بالتأكيد ليس أين ارغب أن أضع أموالي. 

 

وأعتقد أنه من المرجح جدا أن 15 عاما من الآن، سنقوم بعد ذلك فقط قياس أن الطاقة المظلمة سببها ذلك الثابت الكوني. ونحن سوف نكون قادرين على تقليص نطاق الاخطاء التي نقع فيها ونجد أن نموذجنا الحالي لا يزال يعمل.

فيما يتعلق المادة المظلمة، أعتقد أنها أقل وضوحا بكثير. لفترة طويلة، كان المرشح الأكثر شعبية هذا الشيء الذي يسمى بويمب، أو الجزيئات الضخمة ذات التفاعل الضعيف. هذه الفكرة لا تزال سائدة وممكنة تماما، ولكن الكثير من الجسيمات التي يمكن أن تكون من هذا النوع من المادة المظلمة قد استبعد بالفعل. الشيء المرشح المقنع الاخر هو الجسيمات الدون الذرية التي تسمى المحور axion الناس قريبين من الوصول إلى مكان حيث انهم قادرون على البدء في البحث عن هذه الجسيمات التي نعتقد أنها ستكون صعبة للغاية لتعقبها. ومن الممكن أيضا أن المادة المظلمة قد تكون مفاجأة لنا، كونها  نوع جديد من الجسيمات التي ليس لدينا تقنيات جديدة للبحث عنها بعد.

آدم حدازي، خريف 2017
محتوى هذه المائدة المستديرة يعود الى مؤسسة كافلي.