هل يمكننا تفسير المادة المظلمة بإضافة المزيد من الأبعاد إلى الكون؟

بالعربي/ قد تكون المادة المظلمة أكثر غرابة مما يعتقده أي شخص ، كما يقول علماء الكونيات الذين يقترحون أن هذه المادة الغامضة التي تمثل أكثر من 80٪ من كتلة الكون يمكن أن تتفاعل مع نفسها.

قال فليب تانيدو ، الأستاذ المساعد للفيزياء وعلم الفلك بجامعة كاليفورنيا ريفرسايد ، في بيان : “نحن نعيش في محيط من المادة المظلمة ، لكننا لا نعرف سوى القليل جدًا عما يمكن أن يكون” .

جاءت كل محاولة لشرح المادة المظلمة باستخدام الفيزياء المعروفة مختصرة ، ولذا فإن تانيدو ومعاونوه يطورون نماذج غريبة قد تتطابق بشكل أفضل مع الملاحظات. سألوا: ماذا لو تفاعلت المادة المظلمة مع نفسها من خلال سلسلة متصلة من القوى العاملة في فضاء بأبعاد أكبر من أبعادنا الثلاثة المعتادة؟ يبدو هذا جامحًا ، لكن نموذجهم قادر على شرح سلوك النجوم في المجرات الصغيرة بشكل أفضل من نماذج المادة المظلمة التقليدية. لذا فإن الأمر يستحق المحاولة.

مجرات صغيرة ، مشاكل كبيرة

على الرغم من أن علماء الكونيات لا يعرفون هوية المادة المظلمة ، إلا أنهم يعرفون بعض خصائصها. تشير جميع الملاحظات إلى أن المادة المظلمة مكونة من نوع جديد من الجسيمات ، لم تكن الفيزياء معروفة من قبل. يغمر هذا الجسيم كل مجرة ​​، وهو ما يمثل أكثر من 80٪ من كتلتها. يجب ألا يتفاعل هذا الجسيم مع الضوء كثيرًا ، إن وجد (وإلا كنا سنراه الآن في الملاحظات الفلكية). ويجب ألا تتفاعل مع المادة العادية كثيرًا ، إن وجدت (وإلا كنا سنراها في تجارب مصادم الجسيمات).

من خلال أخذ هذه الخصائص معًا ، يمكن لعلماء الكونيات بناء محاكاة حاسوبية متطورة لتطور الهياكل الكبيرة في الكون. تتطابق هذه المحاكاة عمومًا مع الملاحظات ، مع تحذير واحد مثير للاهتمام. تتنبأ هذه الصورة المبسطة للمادة المظلمة بأن المجرات الصغيرة يجب أن تحتوي على كثافة عالية جدًا من المادة المظلمة في نواتها (المعروفة لعلماء الكون بنموذج “الحد الأقصى”) ، لكن الملاحظات بدلاً من ذلك تُظهر أن كثافة المادة المظلمة مسطحة نسبيًا ، لذلك يجب أن تنتشر بالتساوي في جميع أنحاء المجرات الصغيرة (المعروف باسم “النموذج الأساسي”).

كانت مشكلة “النواة الأساسية” شوكة في جوانب دراسات المادة المظلمة لعقود. يجب أن يكون النموذج الناجح للمادة المظلمة قادرًا على تفسير سلوك المجرات الصغيرة والكبيرة ، جنبًا إلى جنب مع جميع ملاحظات المادة المظلمة الأخرى. يُطلق على أحد هذه النماذج اسم المادة المظلمة ذاتية التفاعل ، ويشير الاسم إلى أنها تتنبأ بأن المادة المظلمة تتفاعل أحيانًا مع نفسها ، مما يعني أن جزيئات المادة المظلمة يمكن أن ترتد أحيانًا عن بعضها البعض أو حتى تفني بعضها البعض. يعمل هذا التفاعل الذاتي على تنعيم مناطق كثافة المادة المظلمة العالية ، مما يحول الشرفات إلى نوى في المجرات الصغيرة. 

جوهر القضية

تم حل المشكلة ، أليس كذلك؟ ليس تمامًا: تواجه نماذج المادة المظلمة ذاتية التفاعل مشكلة في مطابقة الملاحظات الأخرى ، مثل عدسة المجرة (عندما تشوه الجاذبية الناتجة عن كمية هائلة من المادة وتضخم الضوء من مجرات معينة خلفها) ونمو المجرات في الكون المبكر.

ومع ذلك ، فإن هذه النماذج التي لا تزال ضعيفة الأداء تستند إلى التفاعلات الفيزيائية المعروفة التي تحدث عبر إحدى قوى الطبيعة الأساسية الأربعة . تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض من خلال القوة الكهرومغناطيسية. تتفاعل الكواركات مع بعضها البعض من خلال القوة القوية . وما إلى ذلك وهلم جرا. ولكن إذا كان تصدير الفيزياء المعروفة إلى عالم المادة المظلمة أمرًا قصيرًا ، فربما حان الوقت للنظر في قوى جديدة تمامًا.

حاول تانيدو ومعاونيه فعل ذلك بالضبط ، ووصفوا عملهم في ورقة نُشرت في 1 يونيو في مجلة فيزياء الطاقة العالية . يوسع نموذجهم الجديد إلى حد كبير النماذج المحتملة لتفاعل المادة المظلمة ، مما يسمح لقوى غير معروفة أن تلعب دورًا.

وقال تانيدو في البيان: “الهدف من برنامجي البحثي خلال العامين الماضيين هو توسيع فكرة” الحديث “عن المادة المظلمة إلى قوى الظلام”. “على مدى العقد الماضي ، أدرك الفيزيائيون أنه بالإضافة إلى المادة المظلمة ، قد تتحكم القوى المظلمة الخفية في تفاعلات المادة المظلمة. ويمكن لهذه القوى إعادة صياغة القواعد الخاصة بكيفية البحث عن المادة المظلمة تمامًا.”

يتضمن نهج تانيدو تجاه المادة المظلمة سمتين مذهلتين. واحد ، بدلاً من القوة المفردة التي تربط جسيمات المادة المظلمة ، يشتمل النموذج على طيف لا نهائي من القوى الجديدة التي تعمل جميعها معًا. ثانيًا ، يتطلب النموذج بُعدًا إضافيًا للكون ، لذلك فضاء رباعي الأبعاد.

التفكير خارج الكون

يسمح الطيف اللانهائي للقوى ، الذي يمثله جسيم جديد بكتلة مختلفة ، بالكثير من المرونة عند بناء نظرية كيفية تفاعل جسيمات المادة المظلمة. وعلى الرغم من عدم وجود نظير لمثل هذه النظرية في عالم الفيزياء اليومية ، فإن علماء الفيزياء الفلكية يعرفون بالفعل أن المادة المظلمة لا تلعب بالضرورة وفقًا للقواعد المعتادة.

في النظريات التي تشرح الفيزياء المعروفة ، عندما يتفاعل جسيمان مع بعضهما البعض ، فإنهم يفعلون ذلك عن طريق تبادل نوع واحد من الجسيمات الحاملة للقوة. على سبيل المثال ، يرتد إلكترونان عن بعضهما البعض عن طريق تبادل الفوتونات ، حاملة القوة الكهرومغناطيسية . لكن هذا النموذج الجديد يستبدل ذلك التفاعل الفردي بسلسلة متصلة ، أو طيف ، من التفاعلات ، تعمل جميعها معًا لتحقيق التفاعل.

وقال تانيدو في البيان: “يستهدف برنامجي البحثي أحد الافتراضات التي نفترضها حول فيزياء الجسيمات: أن تفاعل الجسيمات موصوف جيدًا من خلال تبادل المزيد من الجسيمات”. “بينما هذا صحيح بالنسبة للمادة العادية ، لا يوجد سبب لافتراض ذلك بالنسبة للمادة المظلمة. يمكن وصف تفاعلاتها من خلال سلسلة متصلة من الجسيمات المتبادلة بدلاً من مجرد تبادل نوع واحد من جسيم القوة.”

بالنسبة لإضافة بُعد إضافي ، استعير فريق تانيدو خدعة مستخدمة في نظريات أخرى لفيزياء الجسيمات عالية الطاقة. من خلال مفهوم رائع ، ولكن لم يتم إثباته بالكامل بعد ، يُعرف باسم مراسلة AdS / CFT (تشير “AdS” إلى anti-de Sitter ، وهو نوع من الزمكان ، و “CFT” تعني نظرية المجال المطابق ، والتي هي فئة من نظريات الكم) ، يصبح التعامل مع بعض المشكلات الفيزيائية التي يصعب حلها في فضاءنا العادي ثلاثي الأبعاد أسهل بكثير عند توسيعها إلى مساحة رباعية الأبعاد.

من خلال استخدام هذه الحيلة الرياضية ، تمكن تانيدو ومعاونوه من حل كيفية تفاعل القوى الموجودة بين المادة المظلمة مع بعضها البعض. يمكنهم بعد ذلك ترجمة نتائجهم إلى الأبعاد الثلاثة للفضاء والتنبؤ بكيفية عمل هذه القوى في الكون الحقيقي. وجدوا أن هذه القوى تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن قوى الطبيعة التي اعتدنا عليها.

قال تانيدو: “بالنسبة لقوة الجاذبية أو القوة الكهربائية التي أدرسها في دورة الفيزياء التمهيدية ، عندما تضاعف المسافة بين جسيمين ، فإنك تقلل القوة بمقدار أربعة أضعاف”. “من ناحية أخرى ، يتم تقليل قوة الاتصال بمعامل يصل إلى ثمانية”.

سمح هذا التعديل على التفاعل الذاتي بين جسيمات المادة المظلمة للباحثين ببناء عمليات محاكاة تطابق ملاحظات المجرات الصغيرة ، مما يمنحها ملفًا شخصيًا “أساسيًا” مثل المادة المظلمة ، بدلاً من “الحدب” الذي نراه في نماذج المادة المظلمة التقليدية. تشبه هذه النتائج نماذج أخرى من المادة المظلمة ذاتية التفاعل والتي من المحتمل أيضًا أن تعيد إنتاج المراكز الشبيهة بالنواة ، لكن هذه النظرية تأتي من اتجاه نظري جديد تمامًا قد يكون له عواقب رصدية أخرى.

لذلك هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به. يستخدم علماء الكونيات المادة المظلمة لتفسير العديد من الملاحظات المختلفة عبر الكون ، على مجموعة متنوعة من المقاييس. سيكشف المزيد من العمل ما إذا كانت هذه النظرية الغريبة تتطابق مع الكون الذي نراه.

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com