دراسة المادة المظلمة، المادة الأكثر غموضا في الكون

ربما يكون السؤال الأكبر في علم الفلك الآن هو السؤال الذي يبدو بسيطًا: مما يتكون الكون؟ نحن نعرف عن البروتونات والنيوترونات والإلكترونات، ونعلم أن هذه الجسيمات تتحد لتشكل الكون الذي نلاحظه: النجوم والكواكب والمذنبات والثقوب السوداء.

لكن كل هذا ليس سوى جزء صغير مما هو موجود. المادة العادية، التي يسميها علماء الفلك المادة الباريونية، هي أقلية عندما تنظر إلى كوننا ككل. في الواقع، تهيمن المادة المظلمة والطاقة المظلمة على الكون، وهما شيئان غامضان لم نكتشفهما بشكل مباشر أبدًا.

ولسبر أغوار هذا اللغز الغريب، تقوم وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) ببناء فضاء إقليدس التلسكوب، وهو مشروع متطور للتحقيق في كل من المادة المظلمة والطاقة المظلمة التي سيتم إطلاقها في عام 2022.

لمعرفة المزيد حول كيفية إنشاء أداة للبحث عن شيء غير مرئي، تحدثنا إلى رينيه لوريج، عالم مشروع إقليدس.

رؤية الآثار فقط

تعد كل من المادة المظلمة والطاقة المظلمة من البنى النظرية، حيث لدينا سبب وجيه للاعتقاد بوجودهما، على الرغم من أنه لم يتم اكتشاف أي منهما بشكل مباشر. وبدلا من ذلك، نحن نعلم أنها لا بد أن تكون هناك لأننا نرى آثارها على الكون.

وأوضح لوريج: "المادة المظلمة هي شيء لا ترى سوى آثاره". "لذلك ترى شيئًا يتحرك، أو أشياء تتجاذب مع بعضها البعض، ولا تعرف سبب ذلك. ونرى أيضًا في علم الفلك أن الأشياء تنجذب، أو الأشياء تتحرك، وبالنظر إلى ما يدور حولنا، لا يمكننا تفسير هذه الحركات بوجود مادة عادية.

لا يمكن ملاحظة هذا الجذب إلا على المقاييس الكبيرة جدًا، عند النظر إلى أجسام بحجم المجرات. في البداية، اعتقد علماء الفلك أنه ربما كان هناك خطأ ما في وصفهم للجاذبية، ولهذا السبب بدا الأمر مختلفًا على المقاييس الفلكية. لكنهم الآن مقتنعون إلى حد كبير بأن الجسيم هو الذي يسبب هذه التأثيرات، على الرغم من أن اكتشاف الجسيم نفسه يمثل تحديًا مستمرًا. "لم نر ذلك من قبل، ولكننا نرى دليلاً غير مباشر على شيء يتصرف مثل المادة ولكن لا يمكن رؤيته. وقال لوريج: "وهذا ما نسميه المادة المظلمة".

ثم هناك الطاقة المظلمة. إنها تشبه المادة المظلمة من حيث أنها بنية تستخدم لشرح الملاحظات غير المتوقعة حول الكون. لكن الأمر مختلف تمامًا، حيث يعتقد علماء الفلك أنه قد يكون شكلاً من أشكال الطاقة، وليس جسيمًا. يتم استخدامه لشرح توسع الكون. نحن نعلم أن الكون يتوسع، ولكن الملاحظات التي تم إجراؤها في التسعينيات من أدوات جديدة مثل تلسكوب هابل الفضائي صدمت علماء الفلك من خلال إظهار أن معدل التوسع كان يتسارع.

"إنه تأثير دقيق للغاية، ولكن من خلال القياس الدقيق للمسافات إلى المجرات البعيدة، تمكن الناس من ذلك اكتشف قبل 20 عامًا أن الكون لا يتوسع فحسب، بل يتوسع بطريقة متسارعة. لوريجس شرح. "وهذا يعني أن هناك طاقة إضافية تدفع المجرات إلى الخارج، وتبين أن هذا التسارع بدأ في منتصف عمر الكون، منذ حوالي 6 مليارات سنة. هذا لغز حقا، لماذا حدث ذلك. لذلك هناك قوة إضافية تعمل ضد الجاذبية، وتدفع جميع المجرات إلى الخارج بطريقة متسارعة، وهذا ما نسميه الطاقة المظلمة.

إن الأمر اللافت للنظر حقًا فيما يتعلق بالمادة المظلمة والطاقة المظلمة هو مدى انتشارهما. عند النظر في عنصر الطاقة الكلي للكون، التقديرات الحالية أظهر أن حوالي 68% من الكون عبارة عن طاقة مظلمة، في حين أن 27% عبارة عن مادة مظلمة. كل المادة الطبيعية التي نراها حولنا – كل نجم، كل كوكب، كل جزيء غاز – تضيف ما يصل إلى 5% فقط من كل ما هو موجود.

إذًا هناك 95% من الكون بالكاد نفهمه على الإطلاق. وقال لوريج: "هذا هو أكبر لغز لدينا في الوقت الحالي في الفيزياء وعلم الفلك". "كعالم فلك، من الرائع حقًا أن أكون في هذه المرحلة الزمنية للعمل على هذه المشكلة."

كيفية اصطياد غير المرئي

كانت الطريقة التقليدية للبحث عن الطاقة المظلمة هي قياس توسع الكون من خلال مراقبة المستعرات الأعظم. إذا انفجر مستعر أعظم في مجرة ​​بعيدة، فيمكننا تتبع الطاقة التي يطلقها لتقدير مدى بعده - ولكن هناك القيود المفروضة على هذا النهج. لذلك، في العقود الأخيرة، تم تصور طريقتين جديدتين لقياس توسع الكون، وسيستفيد إقليدس من كليهما.

الطريقة الأولى هي النظر إلى توزيع المجرات عبر الكون. ينظر علماء الفلك إلى المسافة إلى المجرة ويلاحظون انزياحها نحو الأحمر (الدرجة التي يصل إليها الضوء من تلك المجرة إلى الطرف الأحمر من الطيف)، ومن هنا يمكنهم معرفة مدى سرعة تحرك المجرة بعيدًا نحن.

الطريقة الثانية هي مراقبة توزيع المادة المظلمة. نحن نعلم أن توزيع المادة العادية يتبع توزيع المادة المظلمة، وهناك كمية من المادة المظلمة أكثر بكثير من المادة العادية. يمكن رؤية تأثيرات الجاذبية للمادة المظلمة من خلال تقنية تسمى عدسة الجاذبية، حيث تعمل كتلة المادة المظلمة على ثني الضوء حولها.

ولهذا السبب يبحث إقليدس عن كل من المادة المظلمة والطاقة المظلمة، لأن التعرف على أحدهما يمكن أن يعلمنا أيضًا عن الآخر.

مستوى لا يصدق من الدقة

لجمع أنواع البيانات المطلوبة لدراسة الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، تكون الأدوات بسيطة نسبيًا من الناحية النظرية. يمتلك إقليدس أداتين أساسيتين: كاميرا/مطياف الأشعة تحت الحمراء، وكاميرا بصرية عملاقة.

يحتوي جهاز الأشعة تحت الحمراء على مرشحات مختلفة ومنشورات شبكية تسمح له بقياس الانزياح الأحمر للمجرات البعيدة، مما يوضح مدى تحركها بعيدًا عنا. الكاميرا الضوئية عبارة عن فسيفساء مكونة من 36 مستشعرًا توفر دقة إجمالية تزيد عن 600 ميجابكسل، مما يؤدي إلى الحصول على صور حادة للغاية، مثل نسخة أكثر دقة من الكاميرا الرقمية. ثم هناك التلسكوب نفسه بمرآته التي يبلغ طولها 1.2 متر.

التحدي المتمثل في بناء الأجهزة هو المستوى العالي بشكل لا يصدق من الدقة المطلوبة. التشوهات التي يبحث عنها العلماء بسبب وجود المادة المظلمة والطاقة المظلمة صغيرة جدًا أن الأدوات يجب أن تكون حساسة بشكل لا يصدق، وقادرة على التقاط حتى أصغر التقلبات في القراءات. لكن هذا يعني أن أي تغيير في بيئة التلسكوب نفسه يمكن أن يشوه البيانات بشكل كبير. حتى شيء صغير مثل تشغيل الإلكترونيات داخل القمر الصناعي سيكون ملحوظًا في القراءات التي يأخذها.

وقال لوريج: "لقد تم بناء التلسكوب بطريقة تجعله مستقرًا للغاية ويعطي صورًا حادة جدًا". "ولديها مجال رؤية كبير جدًا. إذا قمت بتجميع كل شيء معًا – مجال رؤية مستقر وحاد وكبير – فستحصل على تصميم مستحيل! لذا فالأمر صعب للغاية."

إحدى الطرق التي يتعامل بها الفريق مع مشكلة التصميم هذه هي وضع التلسكوب في الفضاء، حيث سيكون في مكان أبعد بكثير بيئة مستقرة ويمكنه التقاط صور أكثر وضوحًا بأربع إلى خمس مرات من الصورة الأكثر وضوحًا التي يمكن التقاطها منها أرض. ولكن لا تزال هناك مشكلة ضوء الشمس، حيث أن ضبط القمر الصناعي بالنسبة للشمس سيغير مقدار الحرارة التي يتلقاها. وحتى التغيير في بضعة ملي واط من الطاقة يكفي لاكتشافه بواسطة الأجهزة.

أكبر مشكلة يتعين على مصممي التلسكوب مواجهتها هي التوسع. عندما تسخن المواد، فإنها تتمدد، وحتى التقلب البسيط في درجة الحرارة يمكن أن يتسبب في تضخم أجزاء من التلسكوب وإحداث تشوهات في البيانات.

ونتيجة لذلك، فإن معظم مكونات إقليدس مصنوعة من مادة رائعة تسمى كربيد السيليكون. يتمتع هذا السيراميك بمعامل تمدد منخفض للغاية، مما يعني أنه يتمدد قليلاً جدًا عندما يصبح ساخنًا. ولأنه يستخدم في جميع الأدوات، إذا تم توسيعه، فإنه يفعل ذلك بطريقة متساوية. وحتى إطارات أجهزة الاستشعار مصنوعة من كربيد السيليكون، كما هو الحال مع المرآة الرئيسية للتلسكوب. وقد تم صقل المرآة بدرجة عالية من التسامح مع بضعة نانومترات، وهي عملية استغرقت ما يقرب من عام.

كل هذه العناية تعني أن القمر الصناعي مستقر للغاية، وسيكون قادرًا على التقاط صور واضحة ودقيقة.

تقديم شيء للإنسانية

في حين أن دراسة المادة المظلمة والطاقة المظلمة لها أهمية كبيرة في الفيزياء النظرية، إلا أن البحث يمكن أن يكون له آثار عملية أيضًا. أولاً، يمكن استخدام الأجهزة المصممة لمشاريع مثل إقليدس وتقنيات القياس التي تم تطويرها في مجموعة كاملة من المجالات المختلفة. ثانيًا، هناك ثروة كبيرة من البيانات التي سيجمعها إقليدس.

وقال لوريج: "باستخدام بياناتنا، لا نقيس الطاقة المظلمة والمادة المظلمة فحسب، بل نلتقط صورًا لكل ما نراه في السماء بهذه الأطوال الموجية". "لذلك هناك الكثير من علم الفلك فيه. وهذا أيضًا جزء مثير، لأننا نقدم شيئًا جديدًا جدًا للبشرية، لعلماء الفلك. بعد ثماني سنوات من الآن، يمكنك الذهاب إلى موقع وكالة الفضاء الأوروبية والذهاب إلى أي موقع في السماء ورؤية كيف كانت تبدو بدقة هائلة، على عمق 10 ملايين سنة مضت.

ومع ذلك، فإن البحث عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة يدور في المقام الأول حول فهم كيفية عمل كوننا على أساس أساسي المستوى، والإجابة على سؤال محير للغاية الآن: "ما نراه حولنا هو 5٪ فقط مما يوجد في عالمنا. أما الـ 95% الأخرى فهي عبارة عن مادة مظلمة وطاقة مظلمة، وهو أمر يصعب علينا تفسيره. "هذا بالنسبة لي هو السبب الأساسي وراء قيامنا بإقليدس."

هذا السؤال الغريب الذي لا يغتفر حول مكونات الكون هو الذي يدفع العلماء والمهندسين وعلماء الفلك الذين يعملون في مجال المادة المظلمة. لأن ما نراه من حولنا ليس سوى خدش لسطح ما هو موجود في المجهول.