في فبراير من عام 2016 ، صنع العلماء الذين يعملون في مرصد موجات التداخل بالليزر (LIGO) التاريخ عندما أعلنوا عن أول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية. منذ ذلك الوقت ، تم إجراء العديد من عمليات الكشف ، كما أن التعاون العلمي بين المراصد - مثل Advanced LIGO و Advanced Virgo - يسمح بمستويات غير مسبوقة من الحساسية ومشاركة البيانات.
لم يؤكد هذا الحدث فقط تنبؤًا عمره قرن من الزمان من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، بل أدى أيضًا إلى ثورة في علم الفلك. كما أثار آمال بعض العلماء الذين اعتقدوا أن الثقوب السوداء يمكن أن تكون مسؤولة عن "الكتلة المفقودة" للكون. لسوء الحظ ، أظهرت دراسة جديدة قام بها فريق من علماء الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي أن الثقوب السوداء ليست مصدر المادة المظلمة الذي طال انتظاره.
ظهرت دراستهم ، "حدود على الأجسام المدمجة ذات الكتلة النجمية كمادة مظلمة من العدسة الجاذبية من النوع Ia Supernovae" ، مؤخرًا في رسائل المراجعة البدنية. قاد الدراسة ميغيل زومالاكارغو ، زميل ماري كوري العالمي في مركز بيركلي للفيزياء الكونية (BCCP) ، بدعم من أوروس سيلجاك - أستاذ علم الكونيات والمدير المشارك لـ BCCP.
ببساطة ، تظل المادة المظلمة واحدة من أكثر الألغاز المحيرة والمربكة التي تواجه علماء الفلك اليوم. على الرغم من حقيقة أنها تشكل 84.5 ٪ من المادة في الكون ، إلا أن جميع محاولات اكتشافها باءت بالفشل حتى الآن. تم اقتراح العديد من المرشحين ، بدءًا من جزيئات خفيفة للغاية (أكسيونات) إلى جزيئات ضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPS) وكائنات هالة مدمجة ضخمة (MACHOs).
ومع ذلك ، يتراوح هؤلاء المرشحون في الكتلة بأمر من 90 ، والتي حاول العديد من المنظرين حلها من خلال اقتراح أنه يمكن أن تكون هناك أنواع متعددة من المادة المظلمة. ومع ذلك ، فإن هذا يتطلب تفسيرات مختلفة لأصولهم ، والتي من شأنها فقط تعقيد النماذج الكونية بشكل أكبر. كما أوضح ميغيل زومالاكاريغوي في بيان صحفي صدر مؤخراً عن جامعة كاليفورنيا في بيركلي:
"يمكنني أن أتخيل أنه نوعان من الثقوب السوداء ، ثقيلة جدًا وخفيفة جدًا ، أو ثقوب سوداء وجسيمات جديدة. ولكن في هذه الحالة ، فإن أحد المكونات هو أوامر بحجم أثقل من الآخر ، ويجب إنتاجها بوفرة مماثلة. سوف ننتقل من شيء فيزيائي فلكي إلى شيء مجهري حقًا ، وربما حتى أخف شيء في الكون ، وسيكون من الصعب جدًا تفسيره ".
من أجل دراستهم ، أجرى الفريق تحليلًا إحصائيًا لـ 740 من ألمع السوبرنوفا المكتشفة (اعتبارًا من عام 2014) من أجل تحديد ما إذا كان أي منها قد تم تكبيره أو سطوعه من خلال وجود ثقب أسود متداخل. تُعرف هذه الظاهرة ، حيث تضخم قوة الجاذبية لجسم كبير الضوء القادم من الأجسام البعيدة باسم "عدسة الجاذبية".
في الأساس ، إذا كانت الثقوب السوداء هي الشكل السائد للمادة في الكون ، فإن المستعرات الأعظمية الجاذبية المكبرة تحدث بشكل متكرر بسبب الثقوب السوداء البدائية. يُعتقد أن هذه الأشكال الافتراضية للثقب الأسود تكونت خلال أول جزء من الثانية بعد الانفجار الكبير في أجزاء من الكون حيث تم تركيز الكتلة في عشرات أو مئات الكتل الشمسية ، مما تسبب في تكوين الثقوب السوداء الأولى.
إن وجود هذا الثقب الأسود ، بالإضافة إلى أي أجسام مضغوطة ضخمة ، من شأنه أن ينحني ويضخم الضوء من الأجسام البعيدة في طريقه إلى الأرض. وهذا ينطبق بشكل خاص على المستعرات الفائقة البعيدة من النوع Ia ، التي استخدمها علماء الفلك لعقود كمصدر سطوع قياسي لقياس المسافات الكونية ومعدل تمدد الكون.
ومع ذلك ، بعد إجراء تحليل إحصائي معقد للبيانات حول سطوع ومسافة 740 مستعرات أعظم - 580 في الاتحاد و 740 في كتالوجات تحليل منحنى الضوء المشترك (JLA) - خلص الفريق إلى أن ثمانية من المستعرات العظمى يجب أن تكون أكثر إشراقًا بضعة أعشار من المئة مما لوحظ تاريخيا. ومع ذلك ، لم يتم الكشف عن مثل هذا التفتيح ، حتى عندما تم أخذ ثقوب سوداء منخفضة الكتلة في الاعتبار.
قال Zumalacárregui: "لا يمكنك رؤية هذا التأثير على مستعر أعظم ، ولكن عندما تقوم بتجميعها جميعًا وإجراء تحليل بايزي كامل ، فإنك تبدأ في وضع قيود شديدة جدًا على المادة المظلمة ، لأن كل مستعر أعظم له أهمية ولديك الكثير منها".
وخلصوا من تحليلهم إلى أن الثقوب السوداء لا يمكن أن تشكل أكثر من 40٪ من المادة المظلمة في الكون. بعد تضمين 1048 سوبرنوفا أكثر سطوعًا من كتالوج البانثيون (وعلى مسافات أكبر) ، أصبحت القيود أكثر صرامة. مع مجموعة البيانات الثانية هذه ، حصلوا على حد أعلى أدنى - 23٪ - مما حصلوا عليه في تحليلهم الأصلي.
تشير هذه النتائج إلى أنه لا توجد أي مادة مظلمة في الكون تتكون من ثقوب سوداء ثقيلة ، أو أي أجسام ضخمة مماثلة مثل MACHO. قال سيلجاك: "لقد عدنا إلى المناقشات القياسية". "ما هي المادة المظلمة؟ في الواقع ، نحن نفاد الخيارات الجيدة. هذا تحد للأجيال القادمة. "
استندت هذه الدراسة إلى بحث سابق أجراه Seljak في أواخر التسعينيات عندما كان العلماء يفكرون في MACHOs والأجسام الضخمة الأخرى كمصدر محتمل للمادة المظلمة. ومع ذلك ، كانت الدراسة محدودة بسبب حقيقة أنه تم اكتشاف عدد قليل فقط من المستعرات الأعظمية البعيدة من النوع Ia أو تم قياس مسافاتها في ذلك الوقت.
بالإضافة إلى ذلك ، تحول البحث عن المادة المظلمة بعد ذلك بوقت قصير من الأجسام الكبيرة إلى الجسيمات الأساسية (مثل WIMPs). ونتيجة لذلك ، لم تتحقق خطط المتابعة التي تمت دراستها. ولكن بفضل ملاحظات LIGO لموجات الجاذبية ، ظهرت الصلة المحتملة بين الثقوب السوداء والمادة المظلمة مرة أخرى وألهمت Seljak و Zumalacárregui لإجراء تحليلها.
قال سيلجاك: "ما كان مثيرًا للفضول هو أن كتل الثقوب السوداء في حدث ليجو كانت صحيحة حيث لم يتم استبعاد الثقوب السوداء على أنها مادة مظلمة". "كانت هذه مصادفة مثيرة للإعجاب الجميع. لكنها كانت مصادفة ".
تم تبني نظرية المادة المظلمة رسميًا في السبعينيات ، خلال "العصر الذهبي للنسبية" ، لمراعاة التناقضات بين الكتلة الظاهرة للأشياء في الكون وتأثيراتها الجاذبية الملحوظة. يبدو أنه بعد نصف قرن ، ما زلنا نحاول تعقب هذه الكتلة الغامضة وغير المرئية. ولكن مع كل دراسة ، يتم وضع قيود إضافية على المادة المظلمة ويتم استبعاد المرشحين المحتملين.
مع مرور الوقت ، قد نفتح هذا اللغز الكوني ونقترب خطوة أخرى لفهم كيفية تشكل الكون وتطوره.
