فيزياءكونيات

SW155 مجرات لا تحتوي على المادة الداكنة

ما هو الشيء الذي تكتشف وجوده من عدم اكتشاف وجوده؟

إنها المادة الداكنة!

نشر العلماء مؤخرا بحثا علميا يدل على إن المادة الداكنة قد تكون مادة فعلا، وإن الكون لا يحتاج إلى تغيير قوانين نيوتن كإحدى الافتراضات المطروحة لتفسيرها.

نحن نعلم أن الكون يحتوي على جسيمات مثل الذرات التي تتكون من بروتونات ونيوترونات، والتي تتكون بالتالي من كواركات غلوانات، والذرة أيضا تحتوي على الإلكترونات، أما خارج خارج الذرة فهناك الميوان والتاو والهيغز بوزون والفوتون وجسيمات أخرى كلها ترجع للنموذج المعياري (وسنأتي للنموذج المعياري في المستقبل)، كل ما نعرفه من جسيمات لا يُكون إلا حوالي 4% من الكون. كل النجوم والكواكب والغازات وما أشبه من مواد كلها ترجع لهذه المواد التي نعرفها.

لا تنسى أن تدعم السايوير بودكاست من خلال Patreon، كن مع الداعمين.
Become a Patron!

أما باقي الكون فيحتوي على حوالي 23% مادة داكنة، و72% طاقة داكنة. المادة الداكنة تمسك بمحتويات المجرات، أما الطاقة الداكنة فتمدد الكون بين المجرات. المادة الداكنة تكون 85% من المادة ككل، أقصد إننا لو نظرنا إلى مجرة وما فيها من نجوم وكواكب ومذنبات وغازات وحتى ربما الثقوب السوداء (لأن لها كتلة، وإن لم تكن مادة بحد ذاتها)، لكانت هذه لا تشكل إلا 15% من المجرة، والباقي مواد داكنة. لاحظ الفرق المهم، وهو إن المادة الداكنة تكون 23% من مكونات الكون، بينما تكون 85% من المواد المعروفة (ضع في عين الاعتبار إن هذه النسب ليست دقيقة 100%، مع الوقت ستتحسن).

أتذكر لما كنت في الثانوية، وفي الأيام التي لم تكن لدينا هواتف متنقلة، رجعت إلى البيت، فأخبرني أخي الصغير: “اتصل بك أحد أصدقاءك،” فسألته: “ما اسمه؟” فرد علي إن لم يسأله، فسألته: “هل ذكر ماذا يريد؟” فقال لي أنه لم يفعل ذلك، امتعضت منه، “طيب هل سألته عن رقم تلفونه؟” فأجاب: “لا”، فاحمرت عيناي، فسألته آخر سؤال بصوت مقبوض بين شفتاي المطبقتان على غضبي: “طيب، أي ساعة اتصل؟” فقال لي: “لا أتذكر”، فانفجرت في وجهه: “ما الفائدة إنك ذكرت لي اتصال صديق إن لم تعرف اسمه، ولا ما كان يريد ولا أخذت رقم تلفونه، ولا تعرف أي ساعة اتصل، ذكرك لهذه المعلومات لم تزدني علما.”

هذا الشيء ينطبق على المادة الداكنة تقريبا، العلماء لا يعلمون ما هي، ولا ممن تتكون، ولا كيف يكشفون عن طبيعتها، مثل الاتصال الذي رد عليه أخي، لا يعرف شيء عن المتصل، ولكن بالتأكيد كان هناك اتصال، ماذا كان “الاتصال” في حالة المادة الداكنة؟ أو بعبارة أخرى، إذا كانت المادة الداكنة بهذه الدرجة من الغموض كيف للعلماء علم بوجودها أصلا؟ لقد استطاع العلماء معرفة أثرها بشيء واحد فقط، وهو جاذبيتها، حينما نظروا إلى السماء، حيث مجاميع المجرات والمجرات رأوا تأثير الظلام الدامس على انحناء الضوء، تستطيع أن تتخيل وكأن المادة الداكنة تعمل كالعدسة المحدبة، لما يكون الضوء خلفها يمر خلالها وينحني ليصل إلى الأرض فنرى ما خلف المادة الداكنة. ونحن نعلم إن الزمكان لا ينحني إلا إذا كانت هناك كتلة، حتى لو كانت غير مرئية، فعلى سبيل المثال الثقوب السوداء أجرام لا ترى، ولكنها تلوي الزمكان، وتجعل الضوء ينحني.

أول من اكتشف المادة الداكنة كان العالم فرتز زويكي، نظر إلى المجموعة المجارتية “كوما” (أعني مجرات كثيرة متكتلة لتكون مجموعة واحدة من المجرات، وهذه المجرات تدور حول مركز، تخيلوا الصورة التالية: الكواكب تدور حول النجوم، النجوم تدور في المجرة، والمجرات تدور حول مركز مجموعة من المجرات)، ولاحظ شيئا غريبا، لقد وجد إن المجرات التي تدور حول أطراف المجموعة وعلى المركز تتحرك بسرعة كبيرة، وبحساب سرعتها اكتشف إنها من المفروض أن تقذف خارج المجموعة خصوصا إنه لا توجد جاذبية كافية من المجرات الأخرى لتمسك بها، لقد كانت منطلقة بسرعة 3.2 مليون كيلومتر في الساعة. مثل أن تمسك بطرف حبل، وعلى الطرف الآخر ربطت صخرة، تدير يدك، فتدور الصخرة، ستشعر إن الصخرة تجر على يدك بقوة، طالما إن القوة التي تمسك بها والقوة التي تشدك الصخرة بها متساوية ستدور الصخرة حول يدك، ولكن لو ضاعفت السرعة ولم تكن لديك القوة الكافية للمسك بالصخرة سيفلت الحبل من يدك، تقذف الصخرة.

في حالة كوما فإن المجرات لا تقذف خارج المجموعة، فما الذي يبرر هذه السرعة مع بقاء المجرات السريعة بالداخل؟ إنها المادة الداكنة، أسماها في ذلك الوقت “دنكل ماتيريي”.

بعد ذلك قامت العالمة فيرا روبن بدراسة النجوم داخل المجرات، وإذا بها تكتشف أن النجوم التي تدور على أطراف المجرات تسير بسرعة أكبر من الطبيعي، من المفروض إن النجوم تقذف خارج المجرة أيضا، ولكن ذلك لا يحدث، فأكدت على وجود المادة الداكنة كما أكدها فرتز زويكي من قبل.

ما هذه المادة الداكنة التي تمسك بالمجرات في مجاميع المجرات والنجوم بداخل المجرات، وفي نفس الوقت لا ترى؟ هل هي جسيمات مثل الإلكترونات والكواركات أو الهيغز بوزون وهكذا، أما إنها ربما تكون ثقوب سوداء لا ترى ولكن تأثيرها يرى، أو هل نحتاج لأن نغير قوانين نيوتن وآينشتاين على المسافات الضخمة مثل على أحجام المجرات ومجاميع المجرات؟

فهل هي WIMPS جسيمات كبيرة الكتلة ضعيفة التفاعل (Weakly Interacting Massive Particles)، وهذا هو اسم أطلقه العلماء على جسيمات المادة الداكنة، جسيمات كبيرة الكتلة لأن لها جاذبية واضحة، ولكن تفاعلها ضعيف، وسأمر على هذه النقطة لاحقا.

أو قد تكون MACHOs كتل كبيرة مضغوطة مثل الثقوب السوداء (Massive Compact Halo Objects)، وعلى مدى السنوات بحث العلماء عن الثقوب السوداء بآثارها فلم يجدوها بكميات كافية في المجرات لكي تكون هي المادة الداكنة. إذن الثقوب السوداء ليست المادة الداكنة.

قد لا تكون هناك مادة داكنة أساسا، وبدلا من ذلك علينا تغيير قوانين نيوتن وآينشتاين، وهذا ما يطلق عليه اسم MOND (Modified Newtonian Dynamics)؟

بما إن الثقوب السوداء غير موجودة بكميات كافية، إذن إما أن نغير قوانين نيوتن وآينشتاين: MOND، أو أنها جسميات ثقيلة ولا تتفاعل بقوة: WIMPS.

لقد كشف العلماء إن الاحتمال الأقوى إن هناك جسيمات WIMPS وأن قوانين نيوتن وآينشتاين تنطبق على المسافات الصغيرة والضخمة.

ما هي الأدلة على إن هناك جسيمات تمثل المادة الداكنة؟

الدليل الأول هو من خلال تصادم مجموعتين من المجرات لتتكون مجموعة الطلقة. لاحظ العلماء بعد اصطدام المجرات أن محتويات المجرتين من مواد معروفة كانت في الوسط، بينما بقيت المادة الداكنة في الخلف، وكأن روحي مجموعتي المجرتين خرجتا منهما عند التصادم. وهذا دليل على لو إن قوانين نيوتن تحتاج إلى تعديل، فلن ينطبق التعديل على هاتين المجموعتين، خصوصا إن المادة الداكنة كانت في مكان آخر غير مكان المواد المعروفة.

أما الآن فلدينا دليل جديد، فقط نشر فريق من العلماء ورقة علمية في مجلة Astrophysical Journal عن اكتشاف مجرتين جديدتين لا تحتويان على المادة الداكنة. وهذا يعتبر دليل آخر على إن قوانين نيوتن وآينشتاين لا تزالان بخير.

كيف عرف العلماء بأنها لا تحتوي على المادة الداكنة؟

لقد قاس العلماء كتلة كل مجرة بطريقتين مختلفتين. الأولى من خلال سرعة دوران النجوم حول مركز المجرة، فإحدى طرق معرفة كتلة نجم – مثلا – هي من خلال معرفة سرعة دوران كوكب من حوله، نفس هذه الطريقة متبعة في قياس كتل المجرات أو مجاميع المجرات لمعرفة وجود المادة الداكنة، وذلك من خلال النجوم التي تدور حول مركزها.

أما الطريقة الأخرى لقياس كتلة المجرة فهي من خلال الضوء الصادر من النجوم، فمن المعروف إن شدة إضاءة النجم تدل على كتلته، ومن خلال مقارنة كتلة النجم مع كتلة الشمس بالإمكان معرفة كتلة النجم البعيد، فنحن نعلم كتلة الشمس، ونعلم شدة إضاءتها، لو كانت لدينا نجمة بعيدة شدة إضاءتها أضعاف شدة إضاءة الشمس، ذلك يعني إن كتلها أيضا أضعاف كتلة الشمس بمرات. حسب العلماء كتلة المجرة من خلال حساب كتل النجوم التي فيه.

توصل العلماء إلى إن النتائج متطابقة في طريقتي القياس، وهذا يعني إن المجرة لا تحتوي على مادة داكنة نهائيا. فلو كانت هناك مادة داكنة لكانت الكتلة المحسوبة من حركة النجوم أكبر من الكتلة المحسوبة من شدة إضاءة النجوم.

من هنا أيضا يتضح للعلماء إن MOND خاطئ، وإن المادة الداكنة ليست إلى WIMPS فعلا. وبهذا يمكن تركيز البحث عن هذه الجسميات الخفية، وترك البحث عن صيغة مختلفة للقوانين نيوتن وآينشتاين.

ومن هذا يتبين كيف عرف العلماء بوجود المادة الداكنة من خلال عدم وجودها في بعض المجرات.

سؤال خطر على بالي الأيام الماضية، وهو هل بإمكان المادة الداكنة ان تجتمع لتكون كواكب أو نجوم داكنة، وبالتالي مجرات داكنة؟ خصوصا إنها جسميات صغيرة ذات كتل كبيرة، فلماذا لا تجذب بعضها تدريجيا كما في الذرات مثلا لتكون كتلا صغيرة، وهذه الصغيرة تتجمع تدريجيا لتكون صخورا أكبر وأكبر، إلى أن تصبح مذنبات داكنة أو كواكب داكنة أو نجوم داكنة. وضعت السؤال على Riddit، ولكني لم أحصل على إجابة بعد، بعد ذلك كنت أبحث عن معلومة أخرى عن توزيع المادة الداكنة في الكون، أردت خريطة كونية تريني التوزيع، وبالصدفة وجدت الإجابة على السؤال الأول.

يبدو إن المادة الداكنة غير قابلة لأن تجتمع لتكون كواكب أو نجوم، وهناك سببين لذلك، الأول: إن المادة الداكنة لا تتفاعل مع الموجات الكهرومغاطيسية إلا ربما بشيء يسير جدا، ولذلك لا تشع ضوءا وبالتالي تكون داكنة، المادة الداكنة لها تأثير جاذبي فقط، وبسبب هذا النقص لا تستطيع أن تجتمع لتكون كتلة كبيرة، فمثلا حينما تجمع المواد لتكون النجوم فإنها أثناء تكلتها تدريجيا تفقد طاقة على شكل ضوء (أو إشعاعات كهرومغناطيسية)، ولو لم تفقد هذا الضوء لسخنت، وإذا سخنت ذلك يعني إن حركتها ستزداد، إذا ازدادت حركتها لن تلتصق لتكون كتلا كبيرة. ومع ذلك فهي تساهم في تكتل المواد التي نعرفها لتكوين النجوم بقوة جاذبيتها، المادة الداكنة تساعد في تكون النجوم مضيئة ولكنها لا تكون نجوما داكنة بنفسها.

أما السبب الآخر يرجع لعدم تفاعل المادة الداكنة بأي نوع من التفاعل سوى الجاذبية، فمثلا، إذا أردت أن تكون مادة مثل الهيليوم، فستحتاج إلى ذرتي هيدروجين لدمج النواتين لتصبح لدينا نواة واحدة، النواتين ممسوكتين بالقوة النووية القوية، وهذا يعني أن المادة الداكنة لا تستطيع أن تندمج لأنها لا تتفاعل بالقوة النووية القوية على سبيل المثال، وهكذا بالنسبة للقوى الأخرى، المادة الداكنة لا تتأثر بأي منها لكي تكون روابط يمكن الاستفادة منها للتكتل.

أما عن المجرات الداكنة فالموضوع مختلف، فقد تكون هناك مجرات فارغة تماما من النجوم، ولا تحتوي إلا على المادة الدكنة والغازات، فالمادة الداكنة لم تستطع أن تكون النجوم فيها، ربما لأنها لم تكن مركزة بما فيه الكفاية لتكوينها، ولكنها هي في حد ذاتها تصنع مجرة كاملة من الجسيمات المتناثر.

هنا تتكون مشكلة، فكيف يمكن مشاهدة هذا النوع من المجرات إن لم تصدر ضوءا نرى تأثير المادة الداكنة على انحنائه؟ أي إن المجرة الداكنة تحتاج إلى ضوء صادر من خلفها متجها إلينا عبرها لكي نرى تأثير المادة الداكنة عليه.

بالطبع لدينا مجموعة الطلقة والتي تركت خلفها مادة داكنة، فهل تكونت من هذه المادة الداكنة المهملة مجرات أم إنها هالة ضخمة بأحجام مجاميع المجرات فقط؟ لا أعرف الإجابة على هذا السؤال.

أول صوت لزلزال مريخي

الخبر الثاني يتعلق بالمركبة إنسايت التي هبطت على المريخ بتاريخ ٢٦ نوفمبر ٢٠١٨، وقد سجلت المركبة زلزال على السطح، وسأسمعكم الزلزال، وكذلك سجلوا صوت الهواء وصوت تحريك الذراع الروبوتية على المركبة.

هدف مهمة إنزال إنسايت على المريخ معرفة مكونات المريخ الداخلية أو لب المريخ، كما نعرف إن لب الأرض مصهور وهو الذي يكون المجال المغناطيسي، فهل لب المريخ أيضا مصهور، وهل يتكون من الحديد والنيكل كما في الأرض مثلا، إم إنه يتكون من مواد أخرى.

ولمعرفة مم يتكون اللب وضعت ناسا ثلاث أدوات رئيسية تستشعر المريخ بطرق مختلفة، أو هذه الطرق الزلازل، ولقياس الزلازل كان على متن المركبة جهاز على شكل قبة، بعدما هبطت المركبة وفتحت جناحيها اللذين يحتويان على اللوحات الشمسية، أخذ الذراع الروبوتي هذا الجهاز ووضعه على السطح. كذلك أنزلت المركبة جهاز آخر يحفر في الأرض ويمد أنبوب طويل بداخل الأرض، لمسافة 5 أمتار، يهدف الأنبوب إلى قراءة فرق درجات على الحرارة على امتداد الأنبوب من الأسفل إلى الأعلى. وبهذا ستعرف ناسا ما مستوى درجة حرارة اللب، والجهاز الثالث والمهم هو جهاز يقيس ميلان والمريخ أثناء دورانه على نفسه، ومن خلال التمايل يمكن معرفة مدى انصهار المادة في الأعماق، مثل أن تدير بيضة لتعرف ما إذا كانت اللب مستوي وجامد أم إنه سائل. الحركة التي تدور بها البيضة تبين ما بالداخل.

الآن لدينا أول تسجيل لجهاز استشعار الزلازل، هذا الجهاز دقيق إلى درجة إنه يستطيع أن يستشعر اهتزاز القادم ليس فقط من داخل سطح المريخ، إنما حتى الهواء الذي يمر على السطح ويجعله يتذبذب (الجهاز بحد ذاته مغطا بحيث يخفف من تأثير الهواء، ولكنه مع ذلك يلتقط ذبذبات الهواء من الأرض، تخيلوا إن في عام 2016 وقبل إطلاق المركبة إلى المريخ اكتشف العلماء إن الجهاز كان يسرب الهواء إلى الداخل، فأخروا الرحلة التي كانت من المفروض أن تقلع عام 2016 إلى عام 2018، فكلفهم العمل على إصلاح المشكلة 150 مليون دولار)،

يستطيع المستشعر أيضا التقاط ذبذبة ذراع الروبوت على المريخ التي تمر خلال الأرض، تخيل إن جهاز استشعار الزلازل ليس على المركبة، ولا يتصل بها سوى بشريط من الأسلاك، فحركة الذراع لا تصل إلى المستشعر من خلال المركبة، مثل أن تهز يدك وأنت بعيد عن طاولة عليها كوب من الماء، وإذا بالماء يتذبذب ويتموج بسبب هز يدك، بالطبع لن تكون لك القدرة على هز يدك لتذبذب الماء، ولكن لو كنت بالقرب من هذا الجهاز لربما استطاع التقاط هذه الاهتزازات.

كذلك يستطيع المستشعر التقاط زلزال حتى وإن حدث على الطرف الآخر من المريخ، بل حتى التمدد الذي يحدث للمريخ بسبب القمر فوبوس حينما يدور حوله يستطيع التقاطه، فتخيل لو أطلب منك أن تضع اذنك على الأرض في محاولة لالتقاط صوت تمدد الكرة الأرضية بسبب دوران القمر حولها، فإما أن تكون لديك أذن خارقة أو أن تعتبر ذلك جنونا.

الآن لنستمع إلى الأصوات التي التقطتها المركبة من جهاز الزلازل، أول صوت عبارة عن صوت الهواء، والثاني الزلزال، والثالث تحرك الذراع الروبوتية على المركبة، الصوت يبدأ عند الثانية 00:46.

مع ذلك ناسا لم تقل إو هذا زلزال بالتأكيد، إنما ذكرت إنه يحتمل أن يكون زلزال، لا أدري إن كان بسبب ضعف الإشارة، أو أنا هناك احتمالات أخرى لنفس النوع من الذبذبات، أم شيء آخر، ولكن مع الوقت ستتضح الصورة أكثر.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى