اخترشناسان سرانجام موفق شدند راز ماده گمشده عالم را کشف کنند. ماده‌ای که دهه‌ها از دید بشر پنهان مانده بود. پژوهش تازه نشان می‌دهد این ماده به‌صورت ابرهایی عظیم از هیدروژن یونیزه، در فضای میان‌کهکشانی پنهان شده بودند.
به گزارش ساینس الرت، دانشمندان در پژوهشی جدید دریافتند نیمی از ماده مرئی عالم که مدت‌ها گمشده به شمار می‌رفت، کجا پنهان شده. این ماده در فضای اطراف کهکشان‌ها، به‌شکل ابرهای عظیم و نامرئی از هیدروژن یونیزه‌شده پنهان شده است!
معمولاً ردیابی چنین ماده‌ای غیرممکن است اما تیم بزرگ بین‌المللی از اخترشناسان و اخترفیزیک‌دانان روشی ابداع کرده‌اند که محل پنهان شدن آن را در تاریکی میان ستارگان آشکار می‌کند.
تاکنون تحقیقات مختلف تأیید کرده‌اند نیمی از ماده گمشده جهان به‌شکل غبار میان‌کهکشانی از هیدروژن وجود دارد که بسیار دورتر از هسته‌های فعال کهکشان‌ها به بیرون پرتاب شده است. «بوریانا هاجیسکا»، اخترشناس دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، می‌گوید:
«فکر می‌کنیم اگر نواحی دورتر از کهکشان را نیز بررسی کنیم، می‌توانیم تمام گاز گمشده را بیابیم. برای دقت بالاتر، باید با استفاده از شبیه‌سازی‌ها، تحلیل دقیق‌تری بکنیم؛ کاری که هنوز انجام نداده‌ایم. قصد داریم این کار را با دقت کامل پیش ببریم.»
هیدروژن در فضا، مانند آنچه در سحابی شکارچی دیده می‌شود، می‌تواند در اثر تابش، به‌صورت کم‌نور بدرخشد؛ اما در فضای میان‌کهکشانی به‌دلیل چگالی بسیار پایین و تابش ناکافی، این درخشش قابل‌شناسایی نیست.
ماده معمولی یا «ماده باریونی»، فقط حدود ۵ درصد ترکیب ماده-انرژی در جهان را تشکیل می‌دهد. باقی ماده و انرژی تاریک است که شامل ۲۷ درصد ماده تاریک و ۶۸ درصد انرژی تاریک می‌شود. به گفته دانشمندان، بخش قابل‌توجهی از ماده باریونی گم شده و مشخص نیست کجا رفته است.
همچنین بخوانید: دانشمندان آمریکایی: انرژی تاریک ضعیف‌تر شده است
هیدروژن حدود ۹۰ درصد اتم‌های جهان را تشکیل می‌دهد و از نظر جرم نیز ۷۳ درصد جرم کل جهان را به خود اختصاص می‌دهد؛ بنابراین بخش عمده‌ای از ماده باریونی گمشده هیدروژن است. برآورد دانشمندان نشان می‌دهد بیش از ۵۰ درصد هیدروژن موجود در جهان عملاً «گم» شده است.
ردیابی ماده باریونی گمشده با کمک تابش زمینه کیهانی
هیدروژن می‌تواند در فضا تحت‌تأثیر تابش یونیزه شود و درخششی ضعیف داشته باشد اما گازها در فضای میان‌کهکشانی پراکنده‌اند و درخشششان آنقدر کم است که با روش‌های معمول شناسایی نمی‌شوند.
دانشمندان در پژوهش جدید راه دیگری برای یافتن ابر نامرئی هیدروژن توسعه داده‌اند. در این روش که به‌تازگی موردتوجه قرار گرفته، تغییرات نوری که از پشت این ابر عبور می‌کند، بررسی می‌شود؛ یعنی بررسی «تابش زمینه کیهانی». زمینه کیهانی همان نور نخستین جهان است که مثل فسیلی از دوران آغازین کیهان سراسر فضا را پر کرده.
«سیمون فرارو»، کیهان‌شناس آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، می‌گوید:
«تابش زمینه کیهانی پشت هر چیه در جهان می‌بینیم، قرار دارد. این نور در واقع لبه جهان مشهود است؛ بنابراین، می‌توان از این تابش به‌جای نور پس‌زمینه استفاده کرد تا ببینیم گازها کجا قرار دارند.»
ممکن است این نور که از میان ابرهای پراکنده‌ای از هیدروژن یونیزه عبور می‌کند، هنگام پراکنده شدن از الکترون‌های موجود در گاز، کمی روشن‌تر یا کم‌نورتر شود. به این پدیده «اثر سونیائف-زلدوویچ» (Kinematic Sunyaev-Zel’dovich Effect) می‌گویند. البته همان‌طور که می‌دانید، تابش زمینه کیهانی بسیار ضعیف است و دیدنش اصلاً آسان نیست.
تصویری از تابش زمینه کیهانی؛ دایره‌ها مناطقی را نشان می‌دهند که در آنها، هیدروژن یونیزه این تابش را پراکنده کرده است.
راه‌حل دانشمندان برای رفع این مشکل برهم‌نهی داده‌ها (stacking) بود. محققان داده‌های تعداد زیادی رصد را جمع‌آوری کردند و با قراردادنشان روی یکدیگر ویژگی‌های بسیار کم‌نور را برجسته کردند. این پژوهش روی بیش از یک‌میلیون کهکشان قرمز درخشان انجام شد که در شعاع حدود ۸ میلیارد سال نوری از راه شیری قرار دارند.
نتایج نشان داد هاله‌های هیدروژنی که این کهکشان‌ها را دربرگرفته‌اند، بسیار بزرگ‌تر از چیزی هستند که پیشتر تصور می‌شد. حتی این احتمال مطرح شد که این هاله‌ها ممکن است به‌مراتب بزرگ‌تر از چیزی باشند که در این بررسی شناسایی شده است. فرارو می‌گوید:
«اندازه‌گیری‌ها کاملاً با این فرضیه سازگارند که تمام گاز گمشده را پیدا کرده‌ایم!»
کشف ماده گمشده سؤالات تازه‌ای مطرح کرده است
همان‌طور که در علم اخترشناسی رایج است، این کشف پرسش‌های تازه‌ای نیز مطرح می‌کند. هاله‌های هیدروژنی هم از گازهایی که از بیرون به درون کهکشان سقوط می‌کنند، تغذیه می‌شوند هم از فازهای فعال سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم مرکز کهکشان‌ها.
وقتی سیاه‌چاله با نرخ بالایی تغذیه می‌کند، میدان مغناطیسی آن جت‌هایی عظیم از ماده را به بیرون پرتاب می‌کند که می‌توانند میلیون‌ها سال نوری در فضاهای میان‌کهکشانی گسترش یابند. همچنین بادهایی قدرتمند به‌صورت شعاعی از مرکز کهکشان به بیرون جریان می‌یابند و گازهای درون کهکشان را با خود می‌برند که موجب کاهش امکان شکل‌گیری ستاره‌ها می‌شود.
کشف هاله‌هایی بزرگ‌تر از حد انتظار این احتمال را مطرح می‌کند که فعالیت سیاه‌چاله‌ها ممکن است دوره‌ای باشد؛ یعنی در بازه‌هایی فعال و دوباره خاموش شوند. این فرضیه با مشاهدات جالب دیگری از سیاه‌چاله‌ها هم‌خوانی دارد. مشاهدات نشان می‌دهند برخی سیاه‌چاله‌ها که به‌ظاهر خاموش‌اند، ناگهان فعال می‌شوند. این اطلاعات برای بهبود مدل‌های فعلی ما از تحول کهکشان‌ها اهمیت دارد.
تصویر مفهومی هنرمندانه‌ای از هاله هیدروژنی کهکشان راه شیری؛ ابرهای ماژلانی در موقعیت ساعت ۸ دیده می‌شوند.
این پژوهش فقط بخشی از پازل است. برخی تلاش‌های دیگر برای نقشه‌برداری از ماده باریونی گمشده جهان نشان می‌دهند بخشی از این ماده در رشته‌هایی از ماده تاریک محبوس شده‌اند؛ رشته‌هایی که ساختار شبکه کیهانی را شکل می‌دهند و کهکشان‌ها را در فواصل بسیار دور به هم متصل می‌کنند.
پژوهش اخیر راهی تازه در اختیار اخترشناسان قرار داده تا بتوانند دنبال هیدروژن بگردند. حالا فقط باید تکه‌های این پازل را کنار هم بگذارند. نویسندگان این پژوهش در مقاله‌اش می‌نویسند:
«این تحقیق مسیر پژوهشی هیجان‌انگیز و جدیدی می‌گشاید. درک ارتباط گاز و ماده تاریک نه‌فقط به تحلیل‌های آینده کیهان‌شناسی کمک می‌کند، بلکه به فهم ما از شکل‌گیری و تحول کهکشان‌ها نیز کمک می‌کند.
این مقاله قطعه‌ای کلیدی به مجموعه‌ای رو‌به‌رشد از مطالعات می‌افزاید که در تلاش‌اند پیچیدگی‌های گاز کیهانی را در عصر تحقیقات بزرگ کیهانی رمزگشایی کنند.»
این پژوهش برای انتشار در مجله Physical Review Letters ارسال شده و هم‌اکنون در پایگاه arXiv در دسترس است.