پیشزمینه علمی: ماده تاریک و چالشهای کشف آن
ماده تاریک یکی از اسرارآمیزترین اجزا کیهان است که حدود ۸۵ درصد از جرم کل جهان را در بر میگیرد. این ماده ناشناخته، نه نور تولید میکند و نه آن را جذب یا بازتاب میدهد؛ تنها راه شناسایی آن، اثرات گرانشی آن بر ماده معمولی است. علیرغم دههها تلاش از سوی اخترشناسان و فیزیکدانان، تاکنون هیچ شواهد مستقیمی از وجود ماده تاریک یافت نشده است و ماهیت آن همچنان موضوعی بحثبرانگیز در فیزیک و کیهانشناسی مدرن محسوب میشود.
کوتولههای قهوهای: پلی میان سیارات و ستارگان
کوتولههای قهوهای اجرامی آسمانی هستند که جرمشان از سیارات گازی بزرگ، مانند مشتری، بیشتر است اما هرگز بهاندازه ستارگان سنگین نمیشوند تا بتوانند واکنش هستهای را آغاز نمایند. آنها عمدتاً سرد، بینور و بسیار کمفروغاند؛ این ویژهگی سبب شده تا یافتن و مطالعه آنها چالشبرانگیز باشد. کوتولههای قهوهای در فضا به صورت اجرامی بزرگ و کمنور حضور دارند و تاکنون محققان نقش آنها را در معمای ماده تاریک بررسی نکرده بودند.
فرضیه کوتولههای تاریک: ستارگانی نوظهور با منبع انرژی ناشناخته
نتایج مطالعهای جدید توسط تیمی بینالمللی از فیزیکدانان دانشگاههای بریتانیا و ایالات متحده نشان میدهد که کوتولههای تاریک — اجرامی که شاید سرمنشأیی نو در مطالعه ماده تاریک باشد — در اعماق جهان ممکن است وجود داشته باشند. بر این اساس، در مناطقی از کیهان که چگالی ماده تاریک بالاتر است، این ماده میتواند در ساختارهای داخلی کوتولههای قهوهای انباشته شود. اگر ماده تاریک از نوع ذرات عظیم با برهمکنش ضعیف (WIMPs) باشد، امکان آن وجود دارد که این ذرات با برخورد با یکدیگر نابود شده (یا به اصطلاح “برهمکنش نابودسازی” رخ دهد) و بدین ترتیب انرژی لازم برای درخشش محدود کوتوله را تامین نمایند.
این اجرام نظری، به نام “کوتولههای تاریک”، از نظر اندازه، دما و درخشندگی تقریباً ثابت و عملا جاودانه هستند. دکتر جرمی ساکستین، اخترفیزیکدان دانشگاه هاوایی، در این زمینه بیان میکند: «هرچه ماده تاریک بیشتری پیرامون یک کوتوله قهوهای وجود داشته باشد، امکان جذب و انباشتهشدن آن در هسته بیشتر خواهد شد. به همین دلیل، میزان انرژی تولید شده از فرایند نابودسازی ماده تاریک نیز افزایش مییابد.»
چگونه کوتولههای تاریک را شناسایی کنیم؟ نقش لیتیوم-۷
برای تایید تجربی این فرضیه، دانشمندان راهکاری را معرفی کردهاند: جستجوی ایزوتوپ لیتیوم-۷. این ایزوتوپ به علت گرمای شدید درون ستارگان معمولی به سرعت از بین میرود. اما در کوتولههای قهوهای سردتر، لیتیوم-۷ میتواند باقی بماند و وجود آن همواره به عنوان نشانهای برای تایید ماهیت کوتولههای قهوهای استفاده شده است.
اما اگر کوتوله قهوهای توسط انرژی حاصل از ماده تاریک نیرو بگیرد، درخشندگی و اندازهاش حتی میتواند از کوتوله سرخ با همان جرم نیز بیشتر باشد. بنابراین، اگر منبعی در فضا مشاهده شود که شبیه کوتوله سرخ است اما نشانههای لیتیوم-۷ در آن یافت شود، این میتواند سرنخی اساسی از وجود کوتوله تاریک و به عبارتی تاییدی بر برهمکنش ماده تاریک باشد.
چالشهای نظری و چشمانداز آینده جستجو
البته این سناریو به شروط خاصی وابسته است؛ اصلیترین آن اینکه ماده تاریک واقعاً متشکل از ذرات WIMP باشد. این ذرات نه تنها ضعیف با ماده معمولی برهمکنش دارند بلکه میتوانند با خودشان نیز واکنش دهند و نابود شوند. این فرآیند در هسته فشرده یک کوتوله قهوهای موجب تولید انرژی میگردد. اما اگر ماده تاریک از انواع دیگری مانند اکسیونها یا فوتونهای تاریک باشد، شاید نتوان از نامبرده روشها برای ردیابی آن استفاده کرد. همچنین، همواره احتمال وجود تبیینهای دیگر فیزیکی برای اثراتی که به ماده تاریک نسبت داده میشود وجود دارد.
دانشمندان تاکید دارند که بررسی ایدههای متنوع درباره ماهیت ماده تاریک و روشهای شناسایی آن بسیار حائز اهمیت است. رصدخانهها و آزمایشهای گوناگون میتوانند نشانههای مختلفی از ماده تاریک را جستجو کنند و طیفی از سناریوهای تئوریک را پوشش دهند. بر اساس یافتههای اخیر، بهترین مکان برای شناسایی کوتولههای تاریک، پیرامون مرکز کهکشان راه شیری — جایی که تراکم ماده تاریک بیشینه است — ارزیابی شده است.
جمعبندی
پژوهش جدید افقهای نوینی برای مطالعه ماده تاریک و چگونگی پنهانشدن آن در ساختارهای کهکشانی نشان داده است. اگر کوتولههای تاریک واقعاً وجود داشته باشند، این یافته میتواند انقلابی در فهم ما از ماهیت ماده تاریک و ساختار کیهان پدید آورد. جستجو برای شناسایی این اجرام با بهرهگیری از نشانههایی نظیر لیتیوم-۷ در کنار فناوریهای نوین رصدخانهای، میتواند راه را برای کشف یکی از بزرگترین رموز علم جهانشناسی هموار کند.