سرنخ هایی جدید از ماده ی تاریک

تریسی اسلِیتایِر دختری بود که در سن ۱۲ سالگی  کتاب بسیار ارزشمند “تاریخچه‎‌ی مختصر زمان” از استفن هاوکینگ را در مورد منشأ اصلی جهان را خواند. دلیل انتخاب این کتاب از سوی او، خواندن نقدی در مورد آن بود که کتاب را بسیار جذاب و در عین حال دشوار توصیف کرده بود. او هم چنین گزارشی در مورد این کتاب خوانده بود که در آن ذکر شده بود اکثر افراد نمی توانند بیش از ۳۰ صفحه از این کتاب را بخوانند.

گویا آی‌تی – اسلیتایر اکنون یک فیزیک‌دان نظری است که در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) فعالیت می کند و تمام انرژی خود را برای تحقیق راجع به ماده‌ی تاریک جمع کرده است. ماده ی تاریک، ماده‌ای اسرار آمیز است که تصور می شود تقریبا ۸۰ درصد ماده ی موجود در جهان را تشکیل داده است، هر چند که هنوز دانشمندان نتوانسته اند این ماده را به طور مستقیم ببینند.

به همین دلیل است که اسلیتایر به دنبال یافتن نشانه هایی از این ماده ی تاریک است و برای دستیابی به این هدف، داده های به هم ریخته ی تلسکوپ ها را  برای یافتن ردی از درخشندگی و برقی که ذرات ماده ی تاریک در زمان فروپاشی از خود به جای می گذارند، جست و جو می کند. این ذرات در اثر برخورد با یکدیگر دچار فروپاشی می شوند. تحقیقات او فیزیکدانان را به یافتن نشانه هایی از ماده ی تاریک نزدیک کرده است، چرا که او توانسته است این رد و نشان ها را با ردپاهای مشابهی که از سوی ستارگان و سایر اجرام در کیهان ایجاد می شود، متمایز کند.

او در این باره می گوید: ” من از صمیم قلب می‌خواهم بدانم ماده ای که ۸۰ درصد جهان را تشکیل داده است، چه چیزی است.”

کشف و شناسایی ماده ی تاریک می تواند درک ما از جهان را متحول کند. برای ده های متوالی فیزیکدانان بر مدل استاندارد تکیه زده بودند، یعنی نظریه ای که ذرات اساسی و بنیادین ماده را توصیف می کند. اما  به گفته ی رایان فولی، یکی از ستاره شناس دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز این نظریه یک “نقص بزرگ” دارد: در این نظریه ماده ی تاریک در نظر گرفته نشده است. فولی بر اهمیت این نقص تأکید می کند:” تصور کنید که اگر ما به این دانش ناشناخته درست پیدا کنیم، قوانین طبیعت تا چه اندازه متفاوت خواهند بود.”

اما تا به اینجا تمام تلاش ها برای شناسایی ماده ی تاریک ناموفق بوده است و به گفته ی جیمز باکلی، یکی از فیزیکدانان دانشگاه واشنگتن در سن لوئیز “هیچ تضمینی هم  در مورد آن وجود ندارد” که این تلاش ها موفق آمیز باشند. “این روش ها به حجم گسترده ای از تحقیقات تجربی نیاز دارد.” اما گلِن استارکمَن، یک فیزیکدانان نظری در دانشگاه کِیس وِسترن رزرو پیش بینی می کند که اگر قرار باشد دانشمندان در این زمینه به موفقیت هایی دست پیدا کنند، اسلیتایر “قطعا نقش مهمی در این دستاورد خواهد داشت”. “ستاره ها همیشه درخشان و پر زرق و برق نیستند. گاهی این اجرام آسمانی می توانند بسیار قابل اعتماد باشند… همه به درستی کارها و تحقیقات تریسی اطمینان دارند.” علاوه بر آن، فولی می گوید:” او ایده های بزرگ بسیار زیادی در سر دارد و توانسته است مسیر این علم را به پیش ببرد.”

اسلیتایر که اکنون ۳۳ ساله است و صدایی بسیار آرام دارد، اما بسیار سریع و پر احساس صحبت می کند. جِس تالِر یکی از همکاران او در MIT معتقد است در پس شخصیت آرام او، “یک تصمیم جدی نهفته است.” اسلیتایر که در کانبرای استرالیا بزرگ شده است، از کودکی در خواندن کتاب حریص بوده است. تریسی زمانی که در حال خواندن “تاریخچه ی مختصر زمان” بود، متوجه شد که علم فیزیک به دنبال یافتن پاسخ هایی برای پرسش های بسیار پیچیده  مطرح شده در مورد جهان است، و در این مسیر از زبان ریاضی استفاده می کند؛ علمی که او ذاتا در آن پر استعداد بود. پس از فارغ التحصیل شدن در فیزیک نظری، او مدرک Ph.D. خود را در فیزیک از دانشگاه هاروارد گرفت، و برای ادامه تحصیل در مقطع پسا دکترا وارد موسسه ی تحقیقات پیشرفته (IAS) شد و در سال ۲۰۱۳ به MIT پیوست.

کاراگاهانی مانند اسلیتایر که به دنبال یافتن سرنخی از ماده ی تاریک هستند، از روش های مختلفی استفاده می کنند. آن ها از شتاب دهنده ها برای برخورد دادن ذرات استفاده می کنند و امیدوار هستند که این برخوردها ذراتی از ماده ی تاریک به وجود بیاورند و یا بتوانند با استفاده از شناساگرهایی که زیر زمین کار گذاشته اند، ذرات ماده ی تاریک را که در حال برخورد با ذرات دیگر هستند به دام بیندازند. اما معمولا تنها فیزیکدانانی که این آزمایش های عظیم و چند ساله را انجام می دهند می توانند به نتایج و داده های خام حاصل از آن دسترسی داشته باشند.

در عوض، اسلیتایر به جست و جو در حجم بسیار گسترده و عظیم داده هایی می پردازد که توسط تلسکوپ های ناسا جمع آوری می شود. تحقیقات او مشخصا روی پرتوهای گاما متمرکز است، پر انرژی ترین شکل از نور که در اثر فروپاشی و از بین رفتن ماده ی تاریک هم ساتع می شود. از آن جایی که بخش های مرکزی کهکشان ها معمولا تراکم بیشتری از ماده ی تاریک دارند و در سطحی گسترده اشعه ی گاما از خود ساتع می کنند، این مکان ها می تواند جای خوبی برای جست و جو باشد. اما مشکل آن است که در این مناطق انبوهی از سیاه چاله ها، ستاره ها و اجرام دیگری وجود دارند که آن ها هم پرتو گاما از خود ساتع می کنند. اسلیتایر به دنبال یافتن راهی برای تفکیک این پرتوهای گاما است، تا فیزیکدانان این پرتوها را با پرتوهای ساتع شده از ماده ی تاریک اشتباه نگیرند.

تریسی اسلیتایر به عنوان یک دانشجوی دکترا، همراه با استاد مشاور خود داگلاس فینکبینِر و دانش آموز فارغ التحصیل دیگری به نام مِنگ سو با استفاده از تصاویر تلسکوپ فضایی پرتو گامای فِرمی، منشأ ابری از پرتوهای گاما را در مرکز کهکشان راه شیری پیدا کردند و این ساختارهای کروی را “حباب های فِرمی” نامیدند. بعد از آن، اسلیتایر تمرکز خود را به پرتوهای گامایی معطوف کرد که دقیقا در قلب کهکشان وجود دارد و بسیار بیشتر از آن مقداری است که فیزیکدانان در مورد یک سیاهچاله یا دیگر منابع شناخته شده برای پرتو گاما انتظار دارند. در سال ۲۰۱۶ تیم تحقیقاتی اسلیتایر و همکاران آن ها نظریه ی جدیدی را پایه ریزی کردند که طیق آن پرتوهای گاما در اثر فروپاشی ماده تاریک ساتع می شوند.

اما با انجام مطالعات بیشتر اسلیتایر و همکارانش  متوجه شدند مدل آماری که اجسام مختلف را عامل ساتع کردن پرتوی گاما می داند، می تواند این حجم زیاد از پرتوی گاما را نسبت به نظریه ی انتشار از طریق فروپاشی ماده ی تاریک بهتر توجیه کنند. ( این پرتوهای گاما ظاهری نقطه نقطه یا لکه لکه دارند، در حالی که فروپاشی ماده ی تاریک ابری یکنواخت از پرتوهای گاما ایجاد خواهد کرد.) نتیجه چه بود؟ به نظر می رسید که این پرتوهای گامای زیاد حاصل از تب اخترها یا هسته های فروپاشیده ی ستاره ها باشد که همزمان با انتشار پرتوهای گاما در حال چرخیدن به دور خود هستند و به صورت پالس هایی از نور به نظر می آیند.

با این حال، اسلیتایر می گوید،” این یک مبحث بزرگ و گسترده است” و فیزیکدانان نمی توانند به سادگی ماده ی تاریک را به عنوان یکی از عوامل منتشر کننده ی این پرتوهای گاما کنار بگذارند. تیم تحقیقاتی اسلیتایر اکنون روی تکنیک های آماری دیگری کار می کند تا تأیید کند عامل انتشار این پرتوهای گاما تب اخترها هستند یا ماده ی تاریک. در چند سال آینده، تلسکوپ های رادیویی که اکنون در دست ساخت هستند می توانند تب اخترها را به طور مستقیم شناسایی کنند. اسلیتایر می گوید:” این موضوع می توانند نتیجه ی نهایی در مورد نظریه ی تب اخترها را مشخص کند.”

اگر اثبات شود که این پرتوهای گامای بسیار گسترده از سوی تب اخترها  و نه ماده ی تاریک منتشر می شوند، آیا اسلیتایر ناامید می شود؟ قطعا چنین نیست، چون فیزیکدانان باید بدانند پرتوهای گامای منتشر شده از ماده چه خصوصیاتی دارند تا مرتکب اشتباه نشوند. بعلاوه، مطالعه روی تعداد جدیدی تب اختر می تواند اطلاعاتی را در مورد تاریخچه ی کهکشان ما مشخص کند. اسلیتایر می گوید:” این تحقیقات مانند کریسمس است. حتی اگر نتیجه آن چیزی نباشد که شما آرزو کرده اید، به هر حال یک هدیه ی شگفت انگیز دریافت خواهید کرد.” به همان اندازه ای که اسلیتایر مشتاق به کشف ماده ی تاریک است، فولی تردید دارد که تریسی طرح مشخصی در ذهن داشته باشد. به عقیده ی او:” تریسی در تلاش است که بفهمد مسیر درست کدام است.”

اسلیتایر می گوید:” من می خواهم بدانم ماده ای که ۸۰ درصد جهان را تشکیل داده است، چگونه است. این یک معمای بزرگ است، اما یک معمای قابل حل به نظر می رسد.” حتی اگر تصویر نهایی با انجام این مطالعات باز هم نامشخص بماند، او دست از تلاش بر نمی دارد تا این معما را حل کند.