يمكن استخدام ميزة امتصاص الضوء من قبل الهيدروجين المحيط بالمجرات المبكرة كمسبار جديد في ألغاز المادة المظلمة وكيف أثرت على تطور الكون خلال العصور المظلمة الكونية.
لطالما افترض العلماء أن المادة المظلمة ، وهي مادة غامضة تشكل 85٪ من المادة في الكون ، لعبت دورًا رئيسيًا في تكوين المجرات المبكرة. ولكن نظرًا لأن المادة المظلمة لا تتفاعل مع الضوء (على عكس المادة “العادية” التي تتكون منها النجوم والكواكب ونحن) ، فإن طبيعتها غير معروفة. وهذا يعني أن الدور الدقيق الذي لعبته عندما بدأت المجرات في التكون لا يزال يمثل فجوة في النماذج الكونية.
للتحقيق في هذا اللغز ، اقترح علماء من جامعة نورث إيسترن في الصين والمختبرات الفلكية الوطنية التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم (NAOC) دراسة جديدة لإلقاء الضوء على كل من طبيعة المادة المظلمة والتشكيل المبكر للمجرات.
متعلق ب: لم نشهد قط مادة مظلمة وطاقة مظلمة. لماذا نعتقد أنها موجودة؟
تتمثل إحدى الطرق الممكنة لدراسة الجسيمات التي تتكون منها المادة المظلمة وكتلتها في دراسة الهياكل صغيرة الحجم في الكون. تأتي المشكلة عندما نحاول القيام بذلك لفترة تسمى “الفجر الكوني” بعد حوالي 380 مليون سنة من الانفجار العظيم ، وهو الوقت الذي ولدت فيه النجوم الأولى. كان لدى علماء الفلك القليل من مصادر الضوء الممكنة لإلقاء الضوء على هذه الحقبة القديمة.
ولكن في هذا العصر كانت الذرات موجودة على شكل عنصر كيميائي خفيف غاز الهيدروجين. مثل كل العناصر ، يمتص الهيدروجين الضوء.
البحث عن المادة المظلمة في الغابة الكونية
أنتج غاز الهيدروجين الذري في هياكل صغيرة الحجم داخل وحول الفجر الكوني ، والذي انتهى بعد حوالي مليار سنة من الانفجار العظيم ، خطوط امتصاص مميزة عند 21 سم في النطاق الراديوي للطيف الكهرومغناطيسي. تُعرف هذه مجتمعة باسم غابة 21 سم ، والتي تم اقتراحها لأكثر من 20 عامًا كمسبار محتمل لدرجة حرارة الغاز والمادة المظلمة خلال الفجر الكوني.
ومع ذلك ، يظل هذا مفهومًا نظريًا ، حيث أن ضوء هذه الحقبة قد سافر حوالي 13.4 مليار سنة للوصول إلينا. على طول الطريق ، يفقد الطاقة ، ويطيل طول موجته ، ويخفض تردده ، ويتحرك من الطيف الكهرومغناطيسي باتجاه الأحمر وما وراءه إلى الأشعة تحت الحمراء.
كلما كان مصدر الضوء بعيدًا ، زادت كثافة عملية “الانزياح نحو الأحمر”. في حالة عدم وجود ضوء النجوم ، لاستخدام الغابة التي يبلغ طولها 21 سم كمسبار للمادة المظلمة ، يجب أن تكون المصادر ذات الصوت الراديوي مثل الكوازارات مرئية في الفجر الكوني وبالتالي عند الانزياح الأحمر العالي. ولكن في هذه الحقبة ، تكون الإشارات الواردة من مثل هذه المصادر الراديوية ضعيفة ، ومن الصعب تحديد هذه المصادر ذات الخلفية الحمراء العالية.
ومع ذلك ، قد يتغير هذا الوضع. لم يتم اكتشاف العديد من النجوم الزائفة ذات الانزياح الأحمر العالي فقط مؤخرًا ، ولكن أكبر تلسكوب لاسلكي في العالم ، مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA) ، بدأ البناء في أستراليا وجنوب إفريقيا في ديسمبر 2022 وسيفتح قريبًا عينه الراديوية الحساسة. فوق الكون. يشير هذا إلى أن اكتشاف واستخدام غابات 21 سم قد يكون ممكنًا قريبًا.
متعلق ب: مرصد SKA: دليل لأكبر تلسكوبات راديو في العالم
يعتقد الفريق الذي يقف وراء الدراسة الجديدة أن قياس توزيع طاقة الغابة التي يبلغ طولها 21 سم ، أو “طيف طاقتها” ، يمكن أن يصبح في الوقت نفسه مسبارًا واعدًا لقياس خصائص المادة المظلمة والتاريخ الحراري للكون.
سيساعد هذا الباحثين على التمييز بين نموذج المادة المظلمة الباردة للكون – نموذج به جسيمات المادة المظلمة الضخمة التي تتحرك ببطء نسبة إلى سرعة الضوء – ونموذج المادة المظلمة الدافئة مع جسيمات المادة المظلمة الخفيفة والأسرع.
“من خلال قياس طيف الطاقة أحادي البعد لغابة 21 سم ، لا يمكننا فقط جعل المسبار حقيقة من خلال زيادة الحساسية ، ولكن أيضًا توفير طريقة للتمييز بين عينات المادة المظلمة الساخنة وتأثيرات عملية التسخين الأولية. ” قال Yidong Xu ، المؤلف المقابل للدراسة الجديدة. “دعونا نقتل عصفورين بحجر واحد!”
طالما أن التسخين الكوني ليس شديدًا أثناء الفجر الكوني ، فإن قدرات التردد المنخفض لعملية المرحلة الأولى من SKA تعني أنه يمكن للعلماء التحكم في كتلة جسيمات المادة المظلمة ودرجة حرارة الغاز. إذا كان التسخين الكوني كبيرًا جدًا ، فإن المرحلة الثانية من SKA ستشهد تكبير الأداة ، مما يؤدي إلى استخدام مصادر راديو خلفية متعددة توفر نفس القيود.
نظرًا لأن استخدام الغابة التي يبلغ طولها 21 سم كمسبار للمادة المظلمة قد تم ربطه بملاحظات مصادر الراديو ذات الانزياح الأحمر العالي ، فإن الخطوة التالية في هذا البحث هي تحديد المزيد من المصادر المضيئة أثناء الفجر الكوني. النجوم الزائفة والأضواء اللاحقة من انفجارات أشعة جاما.
بمجرد أن يبدأ SKA في مراقبة الكون في عام 2027 ، يمكن متابعة هذه المصادر مرة أخرى ، مما يسمح لعلماء الفلك بإلقاء المزيد من الضوء على ألغاز المادة المظلمة والمجرات الأولى.
تم تقديم بحث الفريق في عدد 6 يوليو من مجلة Nature Astronomy.
