آیا انفجار بزرگ تاریک راز ماده تاریک را فاش می‌کند؟

تحقیقات جدید در مورد منشاء ماده تاریک

تحقیقات اخیر یک تیم دانشجویی و استادی در دانشگاه کُلگیت، سرنخ‌های جدیدی را ارائه می‌دهد که می‌تواند درک ما از منشاء ماده تاریک را به‌طور اساسی تغییر دهد. کاسمین ایله، استاد یار فیزیک و نجوم، و ریچارد کیسی، دانشجوی سال چهارم، ایده‌ای را بررسی کرده‌اند که توسط دو دانشمند از دانشگاه تگزاس در آستین، کاترین فریز و مارتین وینکلر مطرح شده است. این ایده پیشنهاد می‌کند که ماده تاریک ممکن است از یک “بیگ بنگ تاریک” جداگانه ناشی شده باشد که به‌زودی پس از تولد جهان رخ داده است.

به‌طور کلی پذیرفته شده است که تمام ماده‌ای که جهان ما را پر کرده است (از جمله ماده تاریک) از یک رویداد بزرگ، یعنی بیگ بنگ، ناشی می‌شود. این رویداد به پایان دوره انبساط کیهانی مربوط می‌شود، زمانی که انرژی خلاء که باعث انبساط شدید و بسیار سریع اولیه جهان ما شده بود، به پلاسما داغی از تابش و ذرات تبدیل شد.

یکی از معماهای مهم در علم، منشاء و ماهیت ماده تاریک است که حدود ۲۵٪ از بودجه انرژی جهان امروز را تشکیل می‌دهد. در حالی که هنوز به‌طور مستقیم در آزمایش‌های زیرزمینی شناسایی نشده و در شتاب‌دهنده‌ها مشاهده نگشته است، اثرات گرانشی ماده تاریک به‌طور قطعی در مقیاس‌های کهکشانی و فرکهکشانی تأیید شده است. علاوه بر این، ماده تاریک ردپای قابل مشاهده‌ای بر روی تابش الکترومغناطیسی پس از بیگ بنگ، به‌ویژه تابش زمینه کیهانی می‌گذارد.

در سال ۲۰۲۳، فریز و وینکلر پیشنهاد کردند که ماده تاریک، برخلاف ماده معمولی، ممکن است از یک رویداد بیگ بنگ متمایز ناشی شده باشد که ممکن است چند ماه پس از بیگ بنگ متعارف رخ داده باشد.

مدل بیگ بنگ تاریک و کشف ذرات ماده تاریک

در این مدل، ذرات ماده تاریک از طریق تجزیه یک میدان کوانتومی تولید می‌شوند که تنها با بخش تاریک جهان ارتباط دارد و در ابتدا در یک حالت متاستابل کاذب به دام افتاده است. در مطالعه اخیر خود، ایلی و کاسی این مدل بیگ بنگ تاریک را بررسی و اصلاح کرده و تمام سناریوهای ممکن برای تحقق آن را که با داده‌های تجربی کنونی سازگار است، تعیین کرده‌اند.

به‌ویژه، کار آن‌ها دامنه‌ای از پارامترهای ممکن را که می‌تواند منشاء ماده تاریک را توضیح دهد، کشف کرده است. این مطالعه همچنین پیامدهای قابل مشاهده احتمالی این سناریوهای جدید را تعیین می‌کند، به‌ویژه تولید امواج گرانشی که ممکن است توسط آزمایش‌های آینده قابل شناسایی باشد. ایلی در این باره گفت: “شناسایی امواج گرانشی تولید شده توسط بیگ بنگ تاریک می‌تواند شواهد حیاتی برای این نظریه جدید ماده تاریک ارائه دهد.” او افزود: “با آزمایش‌های کنونی مانند آرایه زمان‌سنجی پالسار بین‌المللی (IPTA) و آرایه کیلومتر مربعی (SKA) که در افق قرار دارند، ممکن است به زودی ابزارهایی برای آزمایش این مدل به شیوه‌های بی‌سابقه داشته باشیم.”

تشخیص امواج گرانشی پس‌زمینه توسط همکاری NANOGrav در سال 2023، که بخشی از IPTA است، ممکن است به تحقق بیگ بنگ تاریک مرتبط باشد. با ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر توسط آزمایش‌های آینده، یافته‌های این مطالعه می‌تواند به بهبود درک ما از پارامترهای حاکم بر بیگ بنگ تاریک کمک کند و احتمالاً آن را به عنوان منبع واقعی ماده تاریک تأیید کند.

پیامدهای این کشفیات می‌تواند فراتر از ماده تاریک باشد، زیرا آن‌ها دیدگاه جدیدی درباره تاریخ اولیه جهان و نیروهایی که تکامل آن را شکل داده‌اند، ارائه می‌دهند. جستجو برای پاسخ به معماهای ماده تاریک و منشاء آن همچنان به پیشبرد تحقیقات در خط مقدم کیهان‌شناسی مدرن ادامه می‌دهد.