توهج غامض في مركز مجرتنا يثير التساؤلات

يوجد في مركز مجرتنا توهج غامض ومنتشر ينبعث من أشعة غاما، وهي إشعاعات قوية تنبعث عادةً من أجسام عالية الطاقة مثل النجوم سريعة الدوران أو النجوم المتفجرة.

وقد اكتشف تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لوكالة ناسا هذا التوهج بعد وقت قصير من إطلاقه في عام 2008، وقد حير الضوء العلماء منذ ذلك الحين، مما أثار تكهنات حول سببه.

ويعتقد بعض علماء الفلك أن مصدر هذا التوهج هو النجوم النابضة، وهي بقايا النجوم المنفجرة التي تدور، بينما يشير آخرون إلى جسيمات متصادمة من المادة المظلمة، وهي شكل من أشكال المادة المراوغة وغير المرئية التي يُعتقد أنها خمسة أضعاف وفرة المادة العادية.

وقد وجدت العديد من الدراسات في السابق دعمًا لكلا الفكرتين، ولكن يبدو أن هناك مشكلة في نظرية المادة المظلمة: بدا أن توهج أشعة جاما يتطابق مع شكل الانتفاخ المجري، وهي منطقة مزدحمة منتفخة في مركز مجرة درب التبانة تتكون في الغالب من نجوم قديمة، بما في ذلك النجوم النابضة. وبدا أن هذه الملاحظة تدعم نظرية النجم النابض، حيث افترض الخبراء أن التوهج كان سيأخذ شكلاً أكثر كروية إذا كان مصدره المادة المظلمة. ومع ذلك، لم يتمكن علماء الفلك من رصد ما يكفي من النجوم النابضة التي من شأنها أن تنتج أشعة غاما لإجراء تقييم قاطع.

والآن، تُظهر عمليات المحاكاة الجديدة التي تم إجراؤها باستخدام الحواسيب الفائقة لأول مرة أن تصادمات المادة المظلمة يمكن أن تكون قد خلقت أيضاً التوهج على شكل انتفاخ، مما يضيف وزناً لنظرية المادة المظلمة.

قال جوزيف سيلك، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة جونز هوبكنز والمؤلف المشارك في دراسة التي تشرح بالتفصيل النتائج الجديدة، والتي نُشرت يوم الخميس في مجلة Physical Review Letters: "نحن في وضع لدينا فيه نظريتان، واحدة تطرح المادة المظلمة وتدعي أنها يمكن أن تفسر البيانات التي نراها، والأخرى النجوم القديمة".

"هناك احتمال بنسبة 50٪ أن تكون المادة المظلمة في هذه المرحلة، بدلاً من التفسير الأكثر دنيوية قليلاً للنجوم القديمة، في رأيي."

{{MEDIA}}

قد يكون الدليل على وجود المادة المظلمة اكتشافًا رائدًا. كان عالم الفلك السويسري فريتز زويكي أول من وضع نظرية وجود المادة المظلمة في ثلاثينيات القرن العشرين، وأكدها عالما الفلك الأمريكيان فيرا روبن و دبليو كينت فورد في السبعينيات. فقد لاحظوا أن النجوم التي تدور على حافة المجرات الحلزونية كانت تتحرك بسرعة كبيرة جداً بحيث لا يمكن أن تتماسك معاً بواسطة المادة المرئية والجاذبية وحدها، وافترضوا أن هناك كمية كبيرة غير مرئية من المادة تمنع هذه النجوم من التحليق بعيداً عن بعضها البعض. وعلى الرغم من الجهود المبذولة على مدى عقود، لم يرصد العلماء هذه المادة الغامضة بشكل مباشر، ومن هنا جاء اسمها.

{{MEDIA}}

قال سيلك: "ليس هناك شك في أن طبيعة المادة المظلمة هي إحدى المشاكل الرئيسية البارزة في الفيزياء". "إنه شيء موجود في كل مكان، بالقرب منا، وبعيدًا عنا، ونحن لا نعرف ماهيته."

البحث عن WIMPs

هناك العديد من الفرضيات حول ماهية المادة المظلمة، بما في ذلك بقايا الثقوب السوداء البدائية أو نوع من الجسيمات غير المكتشفة. وقد تركزت الكثير من الجهود المبذولة للعثور على المادة المظلمة على الفكرة الأخيرة، مما أدى إلى بناء أجهزة كشف مثل تجربة المادة المظلمة LZ في ساوث داكوتا.

وقد صُممت هذه الأداة لرصد أحد الجسيمات المرشحة الرئيسية للمادة المظلمة، وهي جسيمات افتراضية تسمى WIMPs، الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل، التي لا تمتص الضوء ويمكنها المرور عبر المادة العادية بسلاسة تقريباً. ويعتقد العلماء أنه عندما يلتقي جسيمان من الجسيمات WIMPs، فإنهما يفنيان بعضهما البعض وينتجان أشعة غاما، مما يجعلهما مصدراً معقولاً للتوهج.

استخدمت دراسة سيلك حواسيب فائقة لإنشاء خريطة للمكان الذي يجب أن تكون فيه المادة المظلمة في مجرة درب التبانة، مع الأخذ بعين الاعتبار كيفية تشكل المجرة في الأصل.

"كانت المشكلة هي أن جميع النماذج على مدى السنوات العشرين الماضية للمادة المظلمة في مجرتنا تفترض أنها في الأساس مثل كرة كروية. لا يوجد شكل لها، لأن ذلك كان أبسط النماذج،" قال سيلك.

"كانت مساهمتنا، ولأول مرة، هي إجراء محاكاة حاسوبية حقيقية لتوزيع المادة المظلمة. وها قد وجدنا أن الجزء المركزي من المادة المظلمة، حيث تنبعث أشعة غاما، هو في الواقع ممرض، أشبه بشكل بيضة." وأوضح سيلك أن هذا الشكل المربّع يتطابق بشكل كبير مع بيانات تلسكوب فيرمي.

{{MEDIA}}

لحسن الحظ، قد لا يكون تأكيد الصلة بين المادة المظلمة والتوهج بعيد المنال. هناك جهاز جديد، وهو مرصد صفيف تلسكوب شيرينكوف للتلسكوب أو CTAO، قيد الإنشاء في موقعين، أحدهما في تشيلي والآخر في إسبانيا، وسيبدأ في إرجاع البيانات في أقرب وقت في عام 2027. وقال سيلك إن مرصد CTAO سيرصد أشعة غاما بدقة أعلى بكثير من مرصد فيرمي مما يجعل من الممكن معرفة ما إذا كانت أشعة غاما في مركز مجرة درب التبانة هي نتاج تصادمات المادة المظلمة.

وأضاف أن هذا الاكتشاف سيكون اختراقًا في البحث عن المادة المراوغة، بالإضافة إلى تقديم دليل على أن بعض المادة المظلمة على الأقل مصنوعة من جسيمات WIMPs. وعلى العكس من ذلك، إذا لم يربط المسبار CTAO التوهج بالمادة المظلمة، فسيعود العلماء إلى المربع الأول في البحث، مع بقاء جميع الخيارات مطروحة على الطاولة.

سر أساسي

قالت تريسي سلاتير، أستاذة الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التي لم تشارك في الدراسة، إن الدراسة تساعد على إعادة فتح إمكانية أن المادة المظلمة يمكن أن تفسر التوهج في مركز مجرتنا، على الرغم من أنها لا تعطي دليلاً إيجابياً جديداً لصالح المادة المظلمة. ومع ذلك، فهي غير مقتنعة بوجود تطابق نهائي بين شكل توزع المادة المظلمة والانتفاخ النجمي. وأضافت: "اعتقدت أن فرضية المادة المظلمة لا تزال معقولة حتى قبل هذه الدراسة".

ويشكل هذا العمل دعماً إضافياً للجهود الدولية لمواصلة البحث عن المادة المظلمة WIMPs، وفقاً لشامكور غاغ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في كلية لندن الجامعية، الذي لم يشارك أيضاً في بحث سيلك. وأضاف غاغ عبر البريد الإلكتروني: "تظل هذه الجسيمات حلاً أنيقاً لمشكلة المادة المظلمة التي طال أمدها"، مشيراً إلى أنه مع وجود المزيد من أجهزة الكشف عن الجسيمات WIMPs قيد التطوير، فإن رؤية إشارات فناء هذه الجسيمات في الفضاء يعني تسوية لغز المادة المظلمة الذي يعود إلى ما يقرب من قرن من الزمان.

{{MEDIA}}

قال نيكو كابيلوتي، الأستاذ المشارك في قسم الفيزياء في جامعة ميامي، إن تلسكوب فيرمي كان بمثابة تغيير قواعد اللعبة بالنسبة لناسا، وهذه الورقة البحثية تُظهر أن المادة المظلمة لا تزال في السباق لتفسير التوهج الغريب في مركز مجرتنا. وقال كابيلوتي، الذي لم يشارك في هذه الدراسة: "هذا اللغز لا يزال حياً، وهو من النوع الذي يبقي العلماء مثلي مستيقظين ليلاً".

وأضاف أن اكتشاف ماهية المادة المظلمة هو المسعى العلمي للقرن الحالي، مشيراً إلى أن "WIMPs، هذه الجسيمات الافتراضية، كانت المشتبه بهم الرئيسيين لدينا لسنوات". وقال إن حقيقة أن التجارب على الأرض لم تكتشفها حتى الآن أمر محبط.

"لكن فيرمي يعطينا سببًا لمواصلة الاعتقاد. تُذكّرنا هذه الورقة البحثية بعدم شطب WIMPs من القائمة حتى الآن، فربما لا تزال تضيء مركز مجرتنا." "وإذا كان ذلك صحيحًا، فنحن أقرب من أي وقت مضى إلى الكشف عن سر أساسي من أسرار الكون."