اكتشاف المادة المفقودة في الكون عبر إشارات راديوية

استخدم علماء الفلك رشقات نارية راديوية سريعة غامضة، أو ومضات ساطعة من موجات الراديو من الفضاء بطول جزء من الثانية، لمساعدتهم في تعقب بعض المادة المفقودة في الكون.

تشكل المادة المظلمة والطاقة المظلمة معظم الكون. المادة المظلمة هي مادة غامضة تشكل الكون، بينما الطاقة المظلمة هي قوة تسرّع معدل توسع الكون، وفقاً لوكالة ناسا. وكلاهما يستحيل رصدهما مباشرة ولكن يمكن رصدهما بسبب تأثيرات الجاذبية الخاصة بهما.

أما بقية الكون فيتكون من الباريونات الكونية، أو المادة العادية، والتي يمكن العثور عليها في جسيمات صغيرة تسمى البروتونات والنيوترونات.

يقول ليام كونور، الأستاذ المساعد في علم الفلك في جامعة هارفارد: "إذا جمعت كل النجوم والكواكب والغازات الباردة التي تراها بالتلسكوبات، فإنها لا تصل إلى أقل من 10% من المادة العادية في الكون".

بينما كان علماء الفلك يعتقدون أن معظم المادة العادية في الكون تطفو في الفراغات بين المجرات، التي تسمى الوسط بين المجرات، أو داخل الهالات الممتدة للمجرات وهي مناطق كروية شاسعة تضم النجوم والغاز الساخن لم يتمكنوا من قياس هذه المادة الشبيهة بالضباب. وذلك لأن المادة العادية تبعث ضوءاً بأطوال موجية مختلفة، لكن الكثير منها منتشر لدرجة أن الأمر يشبه محاولة رصد الضباب، كما يقول علماء الفلك.

وقد أدى عدم القدرة على اكتشاف ما يقرب من نصف المادة العادية في الكون إلى صراع في علم الكونيات استمر لعقود من الزمن، وهو ما يسمى بمشكلة الباريون المفقود.

والآن، قام كونور وزملاؤه برصد المادة المفقودة مباشرة باستخدام وميض الانفجارات الراديوية السريعة لرسم خريطة لما لم يكن بالإمكان رؤيته من قبل. وقد أبلغوا عن النتائج التي توصلوا إليها في دراسة جديدة نُشرت يوم الاثنين في مجلة Nature Astronomy.

قال كونور، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية: "تسطع الومضات الراديوية السريعة من خلال ضباب الوسط بين المجرات، ومن خلال القياس الدقيق لكيفية تباطؤ الضوء، يمكننا أن نزن هذا الضباب، حتى عندما يكون خافتًا جدًا بحيث لا يمكن رؤيته". تم تنفيذ معظم العمل الخاص بالدراسة عندما كان كونور مساعد باحث في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

في المستقبل، يعتقد علماء الفلك أن بإمكانهم استخدام رشقات نارية راديوية سريعة للمساعدة في إلقاء الضوء على بنية الكون غير المرئية.

Loading image...

أضواء وامضة تقود الطريق

تم اكتشاف أكثر من ألف انفجار لاسلكي سريع، أو ما يُعرف بـ FRBs منذ اكتشافها في عام 2007. وقد تم تتبع حوالي 100 منها فقط إلى المجرات، وفقاً لمؤلفي الدراسة. لا يزال علماء الفلك غير متأكدين من الأسباب الدقيقة وراء هذه الانفجارات، لكن العثور على المزيد منها قد يكشف عن أصولها الغامضة.

ولإلقاء الضوء على المادة المفقودة، اعتمد التحليل الجديد على مزيج من الانفجارات الراديوية السريعة التي تم رصدها سابقاً، بالإضافة إلى ومضات ساطعة لم يتم رصدها أبداً حتى إجراء البحث.

وتوجد الرشقات الراديوية السريعة الـ 69 التي تم فحصها في الدراسة على مسافات تتراوح بين 11.74 مليون إلى ما يقرب من 9.1 مليار سنة ضوئية من الأرض. وقد اكتُشف أبعدها، والذي يحمل اسم FRB 20230521B، خلال البحث، وهو صاحب الرقم القياسي الحالي لأبعد انفجار راديوي سريع تم رصده على الإطلاق.

واستخدم فريق الدراسة مصفوفة التلسكوبات الراديوية العميقة، وهي شبكة من 110 تلسكوبات راديوية، للعثور على 39 من الانفجارات الراديوية السريعة في الدراسة وتحديدها. وتقع مصفوفة التلسكوبات، المصممة لتتبع الانفجارات الراديوية السريعة إلى نقاطها الأصلية، بالقرب من بيشوب في كاليفورنيا في مرصد أوينز فالي الراديوي التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. وساعد مرصد W. M. Keck في هاواي ومرصد بالومار بالقرب من سان دييغو في قياس المسافات بين الانفجارات الراديوية السريعة والأرض. وعُثر على 30 رشقة راديوية سريعة أخرى بواسطة مرصد باثفايندر الأسترالي لمصفوفة الكيلومتر المربع وتلسكوبات أخرى حول العالم.

Loading image...

عندما تنتقل الموجات الراديوية على شكل رشقات راديوية سريعة باتجاه الأرض، يمكن قياس ضوئها بأطوال موجية مختلفة تنتشر. ويعتمد مقدار انتشار الضوء على مقدار المادة الموجودة في مساره.

تمكّن الفريق من قياس مقدار تباطؤ كل إشارة رشقة راديوية سريعة أثناء مرورها عبر الفضاء قبل وصولها إلى الأرض، مما أدى إلى إضاءة الغاز الذي واجهته على طول الطريق.

يمكن أن تتأثر سرعة الانفجارات الراديوية السريعة بما تنتقل عبره، مما يعني أن الأطوال الموجية المختلفة للضوء تصل في أوقات مختلفة. ففي حين أن الأطوال الموجية الحمراء الطويلة تنتقل ببطء أكبر لتصل إلى الأرض، فإن الأطوال الموجية الأقصر والأكثر زرقة تصل بسرعة أكبر. كل طول موجي يسمح لعلماء الفلك بقياس المادة غير المرئية.

وقال كونور إن النبضات القصيرة للرشقات الراديوية السريعة ضرورية لهذا القياس لأنها تعمل مثل المنارات الكونية الوامضة.

وقال كونور: "يمكننا قياس مدى تباطؤ النبضات الراديوية بدقة شديدة عند أطوال موجية مختلفة (وهو ما يسمى تشتت البلازما)، وهذا يحسب بشكل فعال جميع الباريونات". "بالنسبة للنجم الذي يضيء بشكل مستمر أو مصدر ليس في الراديو، لا يمكننا قياس تأثير 'التشتت' هذا. يجب أن يكون اندفاعياً وقصيراً وفي الأطوال الموجية الراديوية."

وقد تمكن الفريق من استخدام تشتت الضوء لتعيين وقياس المادة على طول مسار الانفجارات الراديوية السريعة.

وقال فيكرام رافي، الأستاذ المساعد في علم الفلك في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، في بيان: "يبدو الأمر وكأننا نرى ظل جميع الباريونات، مع وجود FRBs كإضاءة خلفية". "إذا رأيت شخصًا أمامك، يمكنك معرفة الكثير عنه. ولكن إذا رأيت ظلهم فقط، فإنك لا تزال تعرف أنهم موجودون هناك وحجمهم تقريباً."

بعد رسم خرائط لجميع الانفجارات الراديوية السريعة والمادة التي مرت بها وأضاءتها، قرر الفريق أن 76% من المادة الكونية موجودة كغاز ساخن منخفض الكثافة في الفضاء بين المجرات. ويمكن العثور على 15% أخرى في الهالات المجرية، بينما توجد النسبة المتبقية داخل المجرات نفسها كنجوم أو كواكب أو غازات باردة.

أداة كونية حاسمة

تتوافق النتائج المستندة إلى الملاحظة مع التنبؤات السابقة التي تم إجراؤها باستخدام عمليات المحاكاة، وفقاً لمؤلفي الدراسة. ووافق وليام كيني أستاذ الفيزياء في كلية الآداب والعلوم في جامعة بافالو على ذلك.

وقال كيني، الذي لم يشارك في البحث: "النتيجة هي أنهم توصلوا إلى طريقة جديدة للعثور على الباريونات التي كنا نعرف أنها موجودة هناك، ولكن ما إذا كانت موجودة بالفعل في (الوسط بين المجرات) بدلاً من الهالات كان لا يزال سؤالاً مفتوحاً".

وقال كونور: "لم تكن "مشكلة الباريون المفقودة" التي استمرت لعقود من الزمن تتعلق أبداً بما إذا كانت المادة موجودة أم لا." "لقد كانت دائماً: أين هي؟ والآن، وبفضل الباريونات المفقودة، أصبحنا نعرف: ثلاثة أرباعها تطفو بين المجرات في الشبكة الكونية."

يمكن أن يساعد فهم توزيع المادة العادية الباحثين على فهم كيفية نمو المجرات وتطورها.

قال كونور: "تُسحب الباريونات إلى المجرات بواسطة الجاذبية، لكن الثقوب السوداء الهائلة والنجوم المتفجرة يمكن أن تعيدها إلى الخارج مثل منظم الحرارة الكوني الذي يبرد الأشياء إذا ارتفعت درجة الحرارة أكثر من اللازم". "تُظهر نتائجنا أن هذه التغذية المرتدة يجب أن تكون فعالة، حيث تقوم بتفجير الغاز من المجرات إلى (الوسط بين المجرات)."

وقال رافي إن الانفجارات الراديوية السريعة قد تكون قادرة أيضاً على المساعدة في رسم خريطة الشبكة الكونية بالتفصيل. هذا الهيكل، المصنوع إلى حد كبير من المادة المظلمة، هو بمثابة العمود الفقري للكون، وفقًا لـ ناسا

قال كونور إن معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا يخطط حاليًا لبناء تلسكوب راديوي آخر في صحراء نيفادا، والذي يمكن أن يبني على النتائج التي توصلت إليها الدراسة الجديدة من خلال العثور على ما يصل إلى 10 آلاف انفجار راديوي سريع وتتبعها سنويًا.

قال رافي: "إنه انتصار لعلم الفلك الحديث." وأضاف: "لقد بدأنا في رؤية بنية الكون وتكوينه في ضوء جديد تماماً، وذلك بفضل الومضات الراديوية السريعة. تسمح لنا هذه الومضات القصيرة بتتبع المادة غير المرئية التي تملأ الفراغات الشاسعة بين المجرات."