ملخص
لا زلنا نجهل الكثير من الأمور والحقائق عن الكون。ويعدفهموجودمادةغامضةتعرفبالمادةالمظلمة،وكذلكمعرفةتركيبها،أحدالتحدياتالكبيرةالتييواجههاالعلماءحاليًا。وعلىالرغممنوجودالكثيرمنالنظرياتحولماهيةالمادةالمظلمة،فإننالازلنانجهلطبيعتهاالحقيقية。فكيف عرفنا إذن بوجود مثل هذه المادة؟إنالتحديالأكبرفيدراسةالمادةالمظلمةهوأننالانستطيعرؤيتها。وسيسلطهذاالمقالالضوءعلىكيفيةتوظيفالعلماءللعلوموالأرصادمنخلالالتليسكوباتللتنبؤبوجودهذهالمادة،كماسيناقشأيضًاالسببوراءاعتقادالعلماءأنهاتتخللوتنتشرفيكلأرجاءكوننا。
ما المقصود بالمادة المظلمة؟وهل لها وجود حقًا؟
عندماننظرإلىالسماءفيليلةمظلمة،فإننانلاحظأنهامليئةبآلافالنجوم。وتشملهذهالأجرامالسماويةكواكبمجموعتناالشمسية،والنجومفيمجرتنا،فضلًاعنجميعالمجراتالتيتبعدعنامسافاتبعيدةجدًا。تُكوّنهذهالأجرامجميعالمادةالباعثةالضوءفيالعالم。ويمكننامنخلالاستخدامأنواعٍعديدةمنالتليسكوباتأننرصدهذهالأجرامالسماويةمنخلالالضوءالمنبعثمنها。
يمكنلبعضالتليسكوباتاكتشافالضوءورصدهمنعلىمسافةتقدربملايينالسنينالضوئية。وفيالحقيقة،يمكنلأحدهذهالتليسكوباتالخارقة،والذييعرفباسمتليسكوب”هابل”——ربماسمعتعنه——رصدالأجرامالسماويةمنعلىمسافةٍتبعدعن13.4ماليارسنةضوئية[1]！وتعملجميعالتليسكوباتعنطريقرصدالضوءواكتشافهفينطاقالطيفالكهرومغناطيسي،بدايةمنالضوءالمرئيووصولًاإلىالأشعةالسينية،والذيينبعثمنهذهالأجرامالسماوية。يستخدمالعلماءالأطوالالموجيةالمختلفةللضوءالمرصودلتحديدمعلوماتأساسيةعنالأجرامالسماويةفيعالمنا،مثلالمسافاتالتيتبعدهاعناهذهالأجراموأعمارهاوأحجامهاوأشكالها。بلويستطيعالعلماءأيضًااستخدامهذهالمعلوماتلفهمالقوانينالكونية。ومع ذلك، فهناكمادةفيالكونلاينبعثمنهاالضوءضمنأينطاقمنالطيفالكهرومغناطيسي،وهومايعنيأنهليسبمقدورنارصدهابتليسكوباتنا。وتجعلناهذهالخاصيةالفريدةمننوعهاغيرقادرينبالمرةعلىرصدهذهالأنواعمنالمادة،ولهذاالسببيطلقعليهاالعلماءالمادةالمظلمة．
يقضي العلماء، لا سيماعلماء الفيزياء الفلكية،قدرًاكبيرًامنالوقتفيطرحنظرياتحولالطبيعةالمحتملةللمادةالمظلمة。ويعرفالعلماءأنالمادةالمظلمةلاينبعثمنهاأيضوءضمنأيجزءفينطاقطيفهاالكهرومغناطيسي،ولكنهمقدرصدواوجودهاعنطريقالتأثيرالواقععليهابفعلالجاذبية。ولايزالعلماءالفيزياءالفلكيةغيرمتأكدينمنماهيةالمادةالمظلمة،ولكنهمفيالوقتذاتهيعلمونالكثيرعنالموادالتقليديةمنخلالرصدسلوكالمادةالمظلمةمقارنةبغيرهامنالمواد。فنحننعلمأنالمادةالمظلمةتمثلنسبة80%منالكتلةالكليةللمجرات[2]．وهومايعنيأنكميةهذهالمادةالموجودةفيالكونتعادلأربعمراتكميةالمادةالعادية،إنلمتزدعنذلك。ولكن،إذاكانمنالصعبللغايةرصدالمادةالمظلمة،فلماذايعتقدالعلماءأنهاموجودةفيالحقيقة؟هناكالعديدمنالأدلةالتيتدعمفرضيةوجودالمادةالمظلمة،ولكنناسنناقشثلاثةأمثلةرئيسيةفيالأقسامالتاليةمنهذاالمقال。
المادة المظلمة تؤثر على حركة النجوم داخل المجرات
يرتبطأولنوعٍمنالأدلةالتيتدعمفرضيةوجودالمادةالمظلمةبالطريقةالتيتؤثربهاعلىحركةالأجرامالسماوية。إذتحويالشمسكتلةنظامناالشمسيبالكاملتقريبًا。وتدورالكواكبالأقربمنالشمسمثلالمشترىوالزهرةحولهاأسرعمنغيرهامنكواكبالمجموعةالشمسية。وكلمازادتالمسافةبينالكوكبوالشمس،تقلالسرعةالتييتحركبهاالكوكب。وهذابسببانخفاضقوةالجاذبيةالتيتؤثربهاالشمسعلىهذهالكواكب。ومن ثم، تتحرك هذه الكواكب ببطء؛حتىلاتدوربشكلحلزونيعلىنحويجعلهاتقتربمنالشمسأوتبتعدعنها。يمكننا تطبيق نفس النموذج على المجرات。فلوزعمناأنالجزءالساطعمنالمجرةيحددموضعتمركزمعظمالكتلة،فإنمعظمالكتلةستكونحينهابالقربمنالمركز،فيحينلنيكونهناكالكثيرمنهاعندالحافةالمعتمةللمجرة。ومنثم،فإنالأجرامالتيتدورحولمركزالمجرةيجبأنتتحركبوتيرةأبطأمنتلكالتيتقععلىمقربةمنمركزها،تمامًاكمايحدثفينظامناالشمسي。
لوضعهذهالنظريةتحتالاختبار،سجلالعلماءالضوءالمنبعثمنمجرةحلزونيةبعيدة(وتعتبرمجرتناالأم——دربالتبانة——مجرةحلزونيةأيضًا)،ومثلواسرعاتالنجومبيانيًامقابلالمسافاتالتيتبعدهاعنمركزالمجرة،فاكتشفواأنالنجوملاتتصرفعلىالنحوالمتوقع。بلوجدواأنالنجومالأبعدعنمركزالمجرةتتحركبسرعةٍأكبرمماهومتوقع(الشكل1）.والتفسيرالوحيدلهذاالأمرهوأنالأجزاءالخارجيةللمجراتتحتويعلىكتلةأكبرممايمكننارصدها。وحقيقةُأننالانستطيعأننرىهذهالكتلةيرجعإلىأنهالاتشعالضوء،وهومايقودناإلىالاعتقادبوجودالمادةالمظلمة。
- شك1 -اللعلاقةبينسرعةالنجوموبعدهاعنمركزالمجرة。
- كانتالسرعةالفعليةالتيرصدهاالعلماءللنجومالبعيدةعنمركزالمجرة(一)أكبر مما تنبأ به العلماء(B)．وتشيرهذهالمعلومةإلىوجودكميةضخمةمنالكتلةفيالجزءالخارجيمنالمجرة،وهوالجزءالذيلايمكننارؤيتهلأنهغيرباعثللضوء،وهوماجعلهميعتقدونبوجودالمادةالمظلمة(معدلةمنالصورةالأصليةالتيالتقطهاPhilHibbsوالمرخصةبموجبCC冲锋队3.0)。
المادة المظلمة تعبث بحسابات كتلة المجرة
إنالدليلعلىوجودالمادةالمظلمةليسجديدًابالكامل。1933年ففيعام،كانعالمالفلكالسويسري،فريتززويكي،أولمناكتشفوجودهذهالمادةفيالكون。إذدرسزويكيالضوءالمنبعثمنأكثرمنألفمجرةتمثلجزءًامنعنقودمجرات”كوما”،حيثحددكتلةهذاالعنقودمنالمجراتباستخدامطريقتين。الأولىهياستخدامسرعاتالمجرات،والتيحددهاعنطريققياسالتغيراتالتيتطرأعلىالضوءالمنبعثمنها،فيحيناعتمدتطريقتهالثانيةفيحسابالكتلةعلىاستخدامالسطوعالكليللعنقود。وبمقارنةالنتيجتينالمحتملتينلكتلةهذاالعنقود،وجدأنقياسالكتلةباستخدامسرعةالمجرةيدللعلىوجودكتلةأكبربمئاتالمراتمقارنةبالكتلةالتيوصلإليهاباستخدامسطوعالمجرة。
وحيثإنالمادةالزائدةلمتكنتشعالضوء،قالزويكي:“لوتأكدنامنصحةهذاالأمر،فسنحصلعلىالنتيجةالمذهلة،وهيأنالمادةالمظلمةموجودةبكمياتأكبربكثيرمنالمادةالمضيئة”(3.]．وبعدفترةزمنيةوجيزةمنهذاالاكتشاف،توصلالعلماءإلىنتيجةمشابهةمنمجراتعنقودالعذراء。ومعذلك،فإنتقنياتالقياسفيتلكالفترةالزمنية،والتيلمتكنبنفسدقةنظيرتهاالحديثةالموجودةحاليًا،إلىجانبالطبيعةالمثيرةللجدلللنتائج،والتيتفيدبأنالعالمتسيطرعليهمادةمظلمةغيرمعروفة،دفعتالعلماءإلىرفضهذهالنظرية،واستمرهذاالرفضحتى50عامًاتقريبًا。
المادة المظلمة تحني الضوء
أماالدليلالثالثالذييدعمفرضيةوجودالمادةالمظلمة،فقدحصلناعليهمنخلالدراسةعنقود”تجمعالطلقة”،وهوالاسمالذيأطلقعلىمجرتيناصطدمتاببعضهماالبعضمؤخرًا。اكتشفعلماءالفلكطريقةلحسابكتلةالأجرامالسماوية،مثلالمجرات،وذلكباستخدامتقنيةعرفتباسمتأثير عدسة الجاذبية［4]．تقومهذهالتقنيةعلىحقيقةأنكتلةجسمماتؤثرعلىكثافةالفضاءمنحوله。فعندما يسافر الضوء عبر هذا الفضاء الكثيف، ينحني。ولتوضيحهذاالأمر،دعونانتخيلورقةمسطحةمفرودة。تمثلهذهالورقةالفضاءحينمالاتكونهناكأيكتلةبالقربمنه。الآن، تخيل أننا وضعنا كرة بولينج على هذه الورقة。نعلم أن الورقة ستغوص إلى أسفل بسبب الكرة。وستتسببالكرةفيانحناءالورقةعلىنحوٍيماثلالكيفيةالتيتحنيبهاالكتلنسيجالزمانوالمكانفيالفضاء。عندمايمرالضوءبالقربمنجرمفيالفضاء،فإنهيسافرعبرالسطحالمنحني،وهومايتسببفيانحناءالموجاتالضوئية。وكلما كانت الكتلة أكبر، كان انحناء الضوء أكثر。 وبمساعدة هذه النظرية، يمكننا تحديد كتلة أي جرم سماوي عن طريق مراقبة كمية الضوء المنبعثة منه مباشرة قبل الانحناء.
تمكنالعلماءباستخدامتأثيرعدسةالجاذبيةمنتحديدالكتلةالكليةلعنقود”تجمعالطلقة”،شاملةالمادةالمظلمة[5]．يبينالشكل2أنمعظمكتلةهذاالعنقودلاتتمركزفيالمكانالذيتصدرمنهانبعاثاتالأشعةالسينية،وهومايعنيأنمعظمالكتلةليستمنالمادةالتينراها。ومنثم،تتألفهذهالمجراتمنكمياتكبيرةمنالمادةالمظلمةأكبربكثيرٍمقارنةبمحتواهامنالمادةالعادية。
- شكل2 -صورةلعنقود”تجمعالطلقة”التقطهاتليسكوب”هاب”لالتابعلوكالةالفضاءالأمريكيةالدوليةومرصدتشاندراالفضائيللأشعةالسينية。
- وعنقود”تجمعالطلقة”عبارةعنمزيجمنمجرتيناصطدمتامعًافيزمنما。تمثلالمناطقالزرقاءمعظمالكتلةفيالمجرات،والتيتتكونمنالمادةالمظلمة،فيحينتمثلالمناطقالورديةالمادةالعادية。ويمكننارصدالمادةالمظلمةمنخلالتأثيرعدسةالجاذبية،والتيترصدالتغيراتالتيتطرأعلىالضوءالمنبعثمنالأجرامالسماويةالبعيدة[5]．تمثلالنقاطالساطعةخارجالمناطقالملونةالنجوموالمجراتالتيلاتعتبرجزءًامنعنقود”تجمعالطلقة”(来源:x射线:NASA /科学家CfA / M。Markevitch等人;光学:NASA /太空望远镜科学研究所;麦哲伦/ U.Arizona / D。Clowe等人;透镜图:NASA/STScI;ESO注射用水;麦哲伦/ U.Arizona / D。Clowe等人)。
ما الطبيعة المحتملة للمادة المظلمة؟
اقترحالعلماءالعديدمنالنظرياتالمختلفةلمحاولةحللغزالمادةالمظلمة。إذيعتقدبعضهمأنهامجردمادةعاديةتتركزفيأجراميصعباكتشافهاأورصدها؛مثلالكواكبالضخمةأوالثقوبالسوداء،غيرأنالتجاربالعلميةقدأثبتتخطأهذهالفرضية。
فمم تتكون المادة المظلمة إذن؟اكتشفالعلماءبالفعلأحدأنواعالجسيماتالتيتكونالمادةالمظلمة،ويعرفباسمالنيوترينوات．وهيجسيماتغيرباعثةللضوء،علىغرارالمادةالمظلمة。إلاأنهذهالنيوترينواتلاتشكلإلاجزءًامنالكميةالكليةللمادةالمظلمة،لأنهاخفيفةجدًا،كماأنهاكانتتتحركبسرعةكبيرةجدًاعندماخُلّقتفيبدايةميلادالكون。ومنثم،فيجبأنتكونهناكجسيماتأخرىلمتكتشفبعدولكنهاتدخلفيتكوينالمادةالمظلمة。ومنبينأكثرالجسيماتالمرشحةفيهذاالصددجسيمانيعرفانباسمالجسيماتالضخمةضعيفةالتفاعلوجسيماتالأكسيونات。ولميرصدالعلماءأيًّامنهذينالنوعينمنالجسيماتحتىالآن،علمًابأنالكثيرمنالتجاربتُجرىفيجميعأرجاءالعالمبحثًاعنهما。
الخلاصة
تشكلالمادةالمظلمة63%تقريبًامنإجماليالمادةالموجودةفيالكون(الشكل3）.ولاشكأنقدرتناعلىفهمالمادةالمظلمةستساعدناعلىمعرفةالكثيرعنالكون،بمافيذلكالتفاصيلعننشأةالكونوتركيبه。ويجريالعلماءحولالعالمالكثيرمنالتجارب،مثلتلكالتيتحدثفيمصادمالهدروناتالكبيرفيسويسرا1لتحديدطبيعةالجسيماتالصغيرةالتييمكنأنتدلناعلىالظروفالتيتكونتفيهاالمادةالمظلمة。ولاشكأننابحاجةإلىإجراءمزيدمنالأبحاث،إلاأنالشيءالمؤكدحتىالآن،هوأنههناكالكثيرالذينتطلعإلىاكتشافهفيمجاليعلمالفيزياءالفلكيةوفيزياءالجسيمات!
- 3 -تشكلمثلالدائرةالكليةجميعالمادةالتيوُجدتفيكوننامنذ380.000
- سنة بعد ميلاده。يمكنكأنترىأنكميةالمادةالمظلمةأكبربكثيرمنجميعالأنواعالأخرىللمادةالأخرى。وتبقىكميةالمادةالمظلمةفيوقتناالحاليمماثلةلماكانتعليهفيالماضي[2]،كماأنكتلةالكونلمتتغيركثيرًامنذالعصرالمبينفيالشكل。الرسمالبيانيمنتصميمفريقNASA / WMAPللعلوم،وهوملكيةعامة。
مسردللمصطلحات
الطيف الكهرومغناطيسي(电磁波谱)：↑هوالنطاقالكاملللتردداتالضوئيةابتداءًمنموجاتالراديوإلىأشعةجاماوالأشعةالسينية。
الطول الموجي(波长)：↑قياسللضوء،لاسيماالمسافةبينقمتينمتتاليتينفيالأمواجالضوئية。تُقاسالأطوالالموجيةللضوءبوحدةالنانومتر(nm)وتتراوحمن400نانومترتقريبًا(كمافيالأشعةفوقالبنفسجية)إلى700نانومتر(كمافيالأشعةتحتالحمراء)،معوجودالضوءالمرئيبينهما。
المادة(重要)：↑أي شيء له كتلة。
المادة المظلمة(暗物质)：↑المادةالتيلاينبعثمنهاالضوء،ومنثملايمكنرؤيتهابالتليسكوبات。
عالم الفيزياء الفلكية(天体物理学家)：↑العالمالذييدرسالأجرامالفلكية،والتيقديصلحجمهاإلىحجمالكونبأكمله。
السرعة(速度)：↑المسافة المقطوعة بين نقطتين خلال وحدة الزمن。علىسبيلالمثال،لوأنهناكسيارةتتحركبسرعة60كم/الساعة،فإنهاتقطعمسافةقدرها60كيلومترًامنالنقطةأإلىالنقطةبخلالساعةواحدة。
تأثير عدسة الجاذبية(引力透镜)：↑الضوءالمنبعثمنالمجراتالبعيدةينحنيوينحرفحينيصطدمبمجالالجاذبيةلكمياتضخمةمنالكتلة؛مثل عناقيد المجرات。
النيوترينوات(中微子)：↑جسيماتدقيقةأصغرمنالذراتليسلهاشحنةكهربية،وهيإحدىمكوناتالمادةالمظلمة。
إقرار تضارب المصالح
يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。
هامش
1.↑لمزيدمنالمعلوماتحولمصادمالهدروناتالكبير(LHC)،يرجىزيارةhttps://home.cern/aboutولمزيد من المعلومات عن المادة المظلمة، يرجى زيارةhttps://home.cern/science/physics/dark-matter．
المراجع
[1]↑加纳，R. 2015。关于哈勃太空望远镜．检索:https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html
[2]↑Ibarra, A. 2015。暗物质理论。诊断。物理的一部分。Proc。267 - 269:323 - 31所示。doi: 10.1016 / j.nuclphysbps.2015.10.126
[3]↑Bertone, G.和Hooper, D. 2018。暗物质的历史。Rev. Mod. Phys90:045002。doi: 10.1103 / revmodphys.90.045002
[4]↑王志强，1998。天文学中的引力透镜效应。在世的牧师。1:12。doi: 10.12942 /远程雷达- 1998 - 12所示
[5]↑Clowe, D.， Bradac, M.， Gonzalex, A. H.， Markevitch, M.， Randall, S. W.， Jones, C.等。2006。这是暗物质存在的直接实证证据。12,54。j。648: L109-13。doi: 10.1086/508162