آخرین بازماندگان گریزپای مواد باریونی بالاخره در لابه‌لای کهکشان‌ها پیدا شدند!

اگر چه بخش عمده‌ای از ماده‌ی موجود در عالم، ماده‌ی تاریک بوده و ماده‌ی عادی و همان چیزی که ما از آن ساخته شده‌ایم، تنها ۱۵ درصد از کل ماده‌ی عالم را تشکیل داده، اطلاعات ما درباره‌ی همین ۱۵ درصد مواد عادی که از اتم‌ها ساخته‌ شده‌اند و مواد باریونی نام دارند هم کامل نبود! اما با سخت‌کوشی دانشمندان آخرین بازمانده‌ی این مواد که در لابه‌لای کهکشان‌ها جاخوش کرده‌ بودند نیز به دام افتاده و شناسایی شدند. با دیپ لوک همراه باشید…

اخترشناسان بالاخره آخرین نسل از مواد باریونی را یافتند. از اواسط دهه‌ی ۱۹۹۰زمانی که محققان تصمیم گرفتند که تمام مواد «معمولی» در کیهان (مانند ستارگان، سیاره‌ها و گاز میان ستارگان یا هر چیزی که از اتم‌ها ساخته شده) را فهرست کنند، این ماده پنهان بود. این ماده‌، ماده تاریک (ماده‌ای که خود رازی کاملا جدا از باقی مواد در کیهان دارد) نیست. محققان در رابطه با اینکه مقدار این ماده باید چقدر باشد ایده‌ی بسیار خوبی داشتند که بر پایه‌ی مطالعات نظری بود؛ مبنی بر اینکه این ماده در طول انفجار بزرگ چطور تشکیل می‌شود. مطالعات زمینه‌ی میکروموج کیهانی (CMB) یا همان بقایای نور انفجار بزرگ، چنین تخمین‌های اولیه‌ای را تایید می‌کند. آنها تمامی موادی را که می‌توانستند ببینند (به تمام ستاره‌ها، ابرهای گازی و مانندشان، باریون می‌گویند) با یکدیگر جمع کردند، اما حاصل، فقط  ۱۰ درصد از آنچه که باید در کیهان وجود داشته باشد بود. با درنظر گرفتن اینکه ماده‌ی معمولی فقط ۱۵ درصد از تمام مواد در عالم را تشکیل می‌دهد (باقی مواد عالم، ماده تاریک است)، آنها فقط ۱.۵ درصد تمام ماده‌ی عالم را فهرست کرده بودند. اکنون آنها در مجموعه‌ی سه مقاله‌ی اخیر، بخش باقی‌مانده‌ی ماده‌ی معمولی در جهان را شناسایی کرده‌اند (هرچند آنها هنوز نمی‌دانند ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده). علی‌رغم این حقیقت که شناسایی تمام مواد زمان زیادی می‌خواهد، محققان این بار، درست به هدف زدند: پیچک‌های وسیعی از گاز داغی که شکاف‌های خالی بین کهکشان‌ها را پوشش داده و به محیط بین کهکشانی گرم-داغ یا ویم (warm-hot intergalactic medium or WHIM) معروف هستند.

توده‌ی کهکشان یک میلیونی

نشانه‌های اولیه‌ی شبیه‌سازی‌های کامپیوتری در سال ۱۹۹۸ نشان دادند ممکن است محدوده‌های وسیعی از گازی نامرئی بین کهکشان‌ها وجود داشته باشد. جرمیاه اُستریکر (Jeremiah Ostriker)، کیهان شناس دانشگاه پرینستون، یکی از آن شبیه‌سازی‌ها را همراه با همکار خود، رنیو سن (Renyue Cen) انجام داد. هر دوی آنها حرکات این گاز را در عالم شبیه‌سازی کردند، گازی که گرانش، نور، انفجار ابرنواختری و تمام نیروهایی که موجب حرکت ماده در فضا می‌شوند، بر آن اثر می‌گذارند. رنیو سن گفت:‌ «ما نتیجه گرفتیم که این گاز در رشته‌هایی قابل آشکارسازی، انباشته می‌شود». یان مک کاردی اخترفیزیکدان دانشگاه مورس لیورپول گفت:‌

در روزهای آخر شبیه‌سازی‌های کیهان شناسی فهمیدیم که باریون‌های زیادی به شکلی نفوذی و داغ و نه در داخل کهکشان‌ها وجود دارند.

ستاره‌شناسان انتظار داشتند این باریون‌های داغ با ابرساختارهای کیهانی مطابقت کنند، ابرساختارهایی ساخته شده از ماده تاریک نامرئی که در حفره‌های بین کهکشان‌ها گسترده شده‌اند. نیروی گرانش، ماده تاریک را به طرف خود می‌کشاند و دمای گاز را تا دمای میلیون‌ها درجه بالا می‌برد. متأسفانه یافتن این گاز داغ و گسترده بسیار دشوار است.

آنا دگراف و همکارش، یک میلیون جفتِ کهکشانی را اضافه کردند. چند تیم تحقیقانی برای یافتن ماده ی گم شده، این گاز را مطالعه کردند و در طول مسیرشان ذراتی از این ماده‌ی گم شده را یافتند. ستاره‌شناسان در سال ۲۰۱۴ حدود ۷۰ درصد این گاز را شناسایی کردند ولی هنوز ۳۰ درصد آنها گم شده بود. دو تیم مستقل از محققین، انحرافات دقیق CMB را برای کشف رشته‌های پنهان مطالعه کردند.

وقتی نور انفجار بزرگ از جهان اولیه در کل کیهان جاری شد، می‌توانست بر روی مناطقی که از داخل آنها می‌گذرد تأثیر بگذارد. به طور خاص، الکترون‌های درون گاز یونیده و داغ باید با فوتون‌های CMB برهمکنش کنند تا مقداری انرژی اضافه را به این فوتون‌ها بدهند. طیف CMB باید منحرف شود. متأسفانه بهترین نقشه‌های  CMB (تهیه شده توسط ماهواره‌ی پلانک) هیچ انحراف را نشان نمی‌دهند؛ یعنی یا این گاز وجود نداشته یا اثرش آنقدر نامحسوس بوده که دیده نشده، اما این دو تیم جستجو تصمیم گرفتند آن را آشکار کنند. آنها از جزئیات بیشتر شبیه‌سازی‌های کامپیوتری جهان، فهیمدند این گاز باید میان کهکشان‌های چگال گسترش یابد، درست مانند تار عنکبوتی که در یک طاقچه گسترش می‌یابد. ماهواره‌ی پلانک نمی‌توانست این گازِ میان جفت کهکشان‌ها را ببیند، پس آنها روشی یافتند تا سیگنال کم نور را یک میلیون برابر کنند.

دانشمندان ابتدا به فهرست کهکشان‌های شناخته شده نگاه انداختند تا جفت کهکشان مناسب را پیدا کنند (کهکشان‌هایی که به مقدار کافی چگال باشند و در فاصله‌ی صحیحی از هم قرار گرفته باشند تا تار عنکبوت ضخیمی از گاز بتواند میان آنها ایجاد شود). آنها سپس به داده‌های پلانک مراجعه کردند، هر یک از جفت کهکشان‌هایی را که مکان یابی شده بودند، شناسایی کردند و سپس آن منطقه از آسمان را با استفاده از قیچی‌های دیجیتالی برش دادند. نزدیک به یک میلیون قطعه‌ی برش داده‌شده در دسترس بود. دانشمندان هر یک از آن قطعات را چرخاندند و بزرگ و کوچک کردند: به نظر می‌رسید تمام جفت کهکشان‌ها یک موقعیت دارند. آنها یک میلیون جفت کهکشان را به صورت توده درآوردند، در آخر ناگهان تارهایی مخصوص (رشته‌های روح مانند یا گاز داغ گسترده) آشکار شدند.

این تکنیک چالش‌های خودش را دارد. مایکل شال، ستاره‌شناس دانشگاه کلرادوی بولدر می‌گوید: «تفسیر نتایج آن، نیازمند فرضیاتی درباره‌ی دما و توزیع فضایی گاز داغ است و به دلیل انباشتگی سیگنال‌ها، باید همیشه نگران سیگنال‌های ضعیف باشیم که نتیجه‌ی ترکیب تعداد زیادی داده هستند. گاهی در توزیعی که آمار نامتوازنی دارد، نتایج اشتباه یا داده‌های خارج از محدوده (بایاس) پیدا می‌شود.» به دلیل این نگرانی‌ها، جامعه‌ی کیهان شناسی، این نتایج را خیلی جدی نمی‌گرفت؛ بنابراین به روش مستقلی برای اندازه‌گیری گاز داغ نیاز بود.

اثر فانوس دریایی (Lighthouse effect)

وقتی دو تیم تحقیقاتی در جستجوی آخرین نسل مواد باریونی در حال اضافه کردن سیگنال‌ها به یکدیگر بودند، تیم سومی روش دیگری را دنبال می‌کرد. آنها کوازار دوری را مشاهده کردند (نور فانوس دریایی روشنی به فاصله‌ی میلیارها سال نوری) و از آن برای آشکارسازی گاز در فضاهای میان کهکشانی ظاهرا تهی (که نور از داخل آن می‌گذرد) استفاده نمودند. این حالت، شبیه امتحان کردن شعاع نوری فانوس دریایی بسیار دور برای مطالعه‌ی مه اطراف آن است. اخترشناسان معمولا وقتی این کار را انجام می‌دهند، سعی می‌کنند به جستجوی نوری که توسط هیدروژن اتمی جذب شده بپردازند؛ زیرا هیدروژن اتمی در جهان عنصر فراوانی است. متأسفانه این انتخاب کنار گذاشته شد، زیرا ویم به شدت داغ است؛ به طوری که هیدروژن را یونیزه می‌کند (تک الکترون آن جدا می‌شود). نتیجه، یک پلاسمای دارای ۳ پروتون و الکترون آزاد است که هیچ نوری را جذب نمی‌کند.

فابریزیو نیکاسترو از یک کوازار برای ردیابی این گاز گم شده استفاده کرد. آنها به دنبال عناصر دیگری مانند اکسیژن رفتند؛ در حالی که مقدار اکسیژن مانند هیدروژن در ویم، زیاد نیست، اما اکسیژنِ اتمی، ۸ الکترون دارد. گرمایی که از ویم می‌آید اکثر الکترون‌ها را جدا می‌کند؛ ولی نه همه‌ی آنها را. تیم تحت رهبری نیکاسترو نوری را که توسط اکسیژن جذب شده بود، ردیابی کردند که تمامی الکترون‌هایش را به جز دوتا از دست داده بود. آنها دو بسته از گاز بین کهکشانی را پیدا کردند.

محققان مقدار گاز یافت شده بین زمین و این کوازار به خصوص را با کل عالم مقایسه کردند که در نتیجه‌ پیشنهاد کردند فقط ۳۰ درصد از مکان این ماده‌ی گم شده را ردیابی کرده‌اند که مقدارش به خوبی با یافته‌های CMB مطابقت داشت. مایک بویلن کولچین ستاره‌شناس دانشگاه تگزاس معتقد است گروه های مختلف با روش‌های متفاوتی در حال مطالعه قطعه‌های جدای یک پازل و رسیدن به پاسخ یکسانی هستند. شال گفت:

قدم بعدی، مشاهده‌ی کوازارهای بیشتری با اشعه‌ی ایکس و تلسکوپ‌های فرابنفش است که دقت بالاتری دارند. کوازاری که ما مشاهده کردیم، بهترین و پرنورترین فانوس دریایی‌ای بود که می‌توانستیم پیدا کنیم. کوازارهای دیگر کم‌نورتر بوده و مشاهدات طولانی‌تر خواهد شد. اما  ما برنده شدیم و مواد باریونی گم شده را پیدا کردیم.