الكون والمادة المظلمة
يضيء كوننا الذي يمكن ملاحظته بضوء يعبر عن مئات المليارات من المجرات ، ولكل منها مئات المليارات من النجوم ، وسحب هائلة من الغاز والغبار ، وسديم ملقى في انفجارات - حديقة من الأجسام المضيئة. وعلى الرغم من أن هذا قد يبدو وكأنه الكثير من الأشياء ، إلا أن كل ما رأيناه على الإطلاق يشكل أقل من 5٪ مما هو موجود.
ما يقرب من 25٪ من محتوى الكون يختبئ في شكل غير معروف: المادة المظلمة. على الرغم من عقود من الجهد المبذول للكشف عن المادة المظلمة، إلا أن المادة لا تزال بعيدة المنال.
كجزء من سلسلة الخلافات العلمية، التقى عالم الكونيات النظري شون كارول وعالمة فيزياء الجسيمات التجريبية ميليسا فرانكلين - التي عملت على تجربة أطلس لاختبار نظرية بوزون هيغز في مصادم الهادرونات الكبير - وعالمة الفيزياء الفلكية جانا ليفين في 11 مايو 2015 لمناقشة اكتشاف بوزون هيغز وكيف أن المادة المظلمة في أنظار الباحثين في مصادم LHC.
المادة المظلمة ، وهي مكون من مكونات الكون الذي يتم تمييز وجوده من جاذبيته بدلا من لمعانه. تشكل المادة المظلمة 30.1 في المائة من تكوين المادة والطاقة في الكون. أما الباقي فهو الطاقة المظلمة (69.4 في المائة) والمادة المرئية "العادية" (0.5 في المائة).
تاريخ إكتشاف المادة المظلمة
عرفت المادة المظلمة في الأصل باسم "الكتلة المفقودة" ، وقد تم الاستدلال على وجود المادة المظلمة لأول مرة من قبل عالم الفلك السويسري الأمريكي فريتز زويكي ، الذي اكتشف في عام 1933 أن كتلة جميع النجوم في مجموعة غيبوبة من المجرات لم توفر سوى حوالي 1 في المائة من الكتلة اللازمة لمنع المجرات من الهروب من سحب جاذبية العنقود.
ظلت حقيقة هذه الكتلة المفقودة موضع تساؤل لعقود ، حتى 1970s عندما أكد عالما الفلك الأمريكيان فيرا روبن و W. Kent Ford وجودها من خلال ملاحظة ظاهرة مماثلة: كتلة النجوم المرئية داخل مجرة نموذجية هي فقط حوالي 10 في المئة من تلك المطلوبة للحفاظ على تلك النجوم تدور حول مركز المجرة. وبوجه عام، فإن السرعة التي تدور بها النجوم حول مركز مجرتها مستقلة عن انفصالها عن المركز؛ في الواقع ، السرعة المدارية إما ثابتة أو تزداد قليلا مع المسافة بدلا من الانخفاض كما هو متوقع. ولتفسير ذلك، يجب أن تزداد كتلة المجرة داخل مدار النجوم خطيا مع بعد النجوم عن مركز المجرة. ومع ذلك ، لا يرى أي ضوء من هذه الكتلة الداخلية - ومن هنا جاء اسم "المادة المظلمة".
منذ تأكيد وجود المادة المظلمة، تم تمييز رجحان المادة المظلمة في المجرات ومجموعات المجرات من خلال ظاهرة عدسة الجاذبية، حيث تعمل المادة كعدسة عن طريق ثني الفضاء وتشويه مرور ضوء الخلفية.
حركة ووزن المادة المظلمة
كما تم الاستدلال على وجود هذه المادة المفقودة في مراكز المجرات ومجموعات المجرات من حركة وحرارة الغاز التي تؤدي إلى الأشعة السينية المرصودة. على سبيل المثال، لاحظ مرصد تشاندرا للأشعة السينية في عنقود الرصاصة، الذي يتكون من مجموعتين مجريتين مدمجتين، أن الغاز الساخن (المادة المرئية العادية) يتباطأ بسبب تأثير السحب لأحد العنقودين الذي يمر عبر الآخر. ومع ذلك ، لا تتأثر كتلة العناقيد ، مما يشير إلى أن معظم الكتلة تتكون من المادة المظلمة.
المادة هي 30.6 في المئة من تكوين المادة والطاقة في الكون. فقط 0.5 في المئة في كتلة النجوم و 0.03 في المئة من هذه المادة في شكل عناصر أثقل من الهيدروجين. الباقي هو المادة المظلمة. تم العثور على نوعين من المادة المظلمة موجودة. الصنف الأول هو حوالي 4.5 في المئة من الكون ويتكون من الباريون المألوف (أي البروتونات والنيوترونات والنوى الذرية) ، والتي تشكل أيضا النجوم والمجرات المضيئة. ومن المتوقع أن توجد معظم هذه المادة المظلمة الباريونية في شكل غاز داخل المجرات وفيما بينها. تم تحديد هذا المكون الباريوني أو العادي للمادة المظلمة من خلال قياس وفرة العناصر الأثقل من الهيدروجين التي تم إنشاؤها في الدقائق القليلة الأولى بعد حدوث الانفجار العظيم قبل 13.8 مليار سنة.
المادة المظلمة التي تشكل 26.1 في المئة الأخرى من مادة الكون هي في شكل غير مألوف وغير باريوني. يشير المعدل الذي تجمعت به المجرات والهياكل الكبيرة المكونة من المجرات من تقلبات الكثافة في الكون المبكر إلى أن المادة المظلمة غير الباريونية "باردة" نسبيا أو "غير ذات صلة بالزيارة" ، مما يعني أن العمود الفقري للمجرات ومجموعات المجرات يتكون من جسيمات ثقيلة بطيئة الحركة. يشير غياب الضوء من هذه الجسيمات أيضا إلى أنها محايدة كهرومغناطيسيا.
المادة المظلمة والفيزياء الحديثة
تؤدي هذه الخصائص إلى ظهور الاسم الشائع للجسيمات، حيث تتفاعل بشكل ضعيف مع الجسيمات الضخمة (WIMPs). الطبيعة الدقيقة لهذه الجسيمات غير معروفة حاليا ، ولا يتم التنبؤ بها من خلال النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. ومع ذلك ، فإن عددا من الامتدادات المحتملة للنموذج القياسي مثل النظريات الفائقة التناظر تتنبأ بالجسيمات الأولية الافتراضية مثل المحاور أو المحايدات التي قد تكون WIMPs غير المكتشفة.
كبديل للمادة المظلمة، تم اقتراح تعديلات على الجاذبية لتفسير الوجود الواضح ل "المادة المفقودة". تشير هذه التعديلات إلى أن قوة الجذب التي تمارسها المادة العادية يمكن تعزيزها في الظروف التي تحدث فقط على المقاييس المجرية. ومع ذلك، فإن معظم المقترحات غير مرضية على أسس نظرية لأنها تقدم تفسيرا ضئيلا أو معدوما لتعديل الجاذبية. هذه النظريات غير قادرة أيضا على تفسير ملاحظات المادة المظلمة المنفصلة ماديا عن المادة العادية في مجموعة Bullet. يوضح هذا الفصل أن المادة المظلمة هي حقيقة مادية ويمكن تمييزها عن المادة العادية.