دانشمندان ممکن است نخستین مدرک مستقیم از ماده تاریک را مشاهده کرده باشند

نزدیک به یک قرن است که دانشمندان در تلاش‌اند مدرکی مستقیم از وجود مادهٔ تاریک پیدا کنند. ماده تاریک یکی از حلقه‌های مفقودهٔ اساسی در درک نظری ما از جهان هستی به شمار می‌رود. در حالی که با روش‌هایی همچون همگرایی گرانشی، تنها اثرات مادهٔ تاریک را مشاهده کرده‌ایم، یک پژوهش تازه ادعا می‌کند داده‌های تلسکوپ فضایی فرمی نشانه‌هایی از انتشار پرتوهای گاما نشان می‌دهد که شباهتی بسیار نزدیک به تابش پیش‌بینی‌شده از برخورد و نابودی دو ذرهٔ سنگین با برهم‌کنش ضعیف (با نام ویمپ، WIMP، مطرح‌ترین نامزد مادهٔ تاریک) دارند. اگر این نتیجه درست باشد، این نخستین‌بار خواهد بود که ما مادهٔ تاریک را در حال کنش مشاهده می‌کنیم؛ هرچند این یافته همچنان باید به‌طور مستقل توسط دیگر اخترفیزیک‌دانان و همچنین با داده‌هایی فراتر از مرکز کهکشان راه شیری تأیید شود.

در اوایل دههٔ ۱۹۳۰، اخترشناس سوئیسی-آمریکایی فریتس زویکی با مشکلی جدی روبه‌رو شد. او هنگام رصد کهکشان‌های خوشهٔ کُما نتیجه گرفت که سرعت حرکت آن‌ها آن‌قدر زیاد است که باید از خوشه خود به بیرون پرتاب شوند؛ اما چنین نمی‌شد و به‌نظر می‌رسید نیرویی نامرئی آن‌ها را در کنار هم نگاه می‌دارد. زویکی در سال ۱۹۳۳ فرضیه‌ای مطرح کرد مبنی بر اینکه باید گونه‌ای مادهٔ فراگیر در جهان وجود داشته باشد که ساختار کیهانی را پایدار نگه می‌دارد؛ او این ماده را مادهٔ تاریک نامید.
در دهه‌های بعد، مادهٔ تاریک به نوعی توضیح استاندارد برای ناسازگاری میان نتایج نظری و مشاهدات تجربی تبدیل شد. اگرچه روش‌هایی همچون همگرایی گرانشی شواهد غیرمستقیمی از وجود مادهٔ تاریک ثبت کرده‌اند، اما هیچ‌کس هرگز ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف، یعنی همان ویمپ‌ها که اصلی‌ترین نامزد تشکیل‌دهندهٔ مادهٔ تاریک هستند، را به شکل مستقیم مشاهده نکرده است. برخی فیزیک‌دانان از این عدم مشاهده آن‌قدر ناامید شده‌اند که به دنبال توضیح‌های دیگری رفته‌اند؛ از بازنگری نقش اطلاعات در ساختار جهان گرفته تا جست‌وجو در نظریه‌هایی همچون دینامیک نیوتنی تعدیل‌شده.

اما یک پژوهش تازه که در مجلهٔ Journal of Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده، امیدوار است این نگرانی‌ها را پایان دهد. این پژوهش به سرپرستی تومونوری تاتانی از دانشگاه اوساکا در ژاپن انجام شده و ادعا می‌کند مشاهدهٔ مستقیم فوتون‌های خاص پرتو گاما را گزارش می‌دهد که مطابق فرضیات موجود نتیجهٔ برخورد و نابودی دو ویمپ هستند. تاتانی این ساختارهای هاله‌مانند را با تحلیل داده‌های تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی به دست آورده است؛ تلسکوپی که در سال ۲۰۰۸ برای مطالعهٔ جهان پرانرژی به فضا فرستاده شد و ناگزیر به مرکز راه شیری نشانه رفت؛ جایی که بخش بزرگی از فیزیک پرانرژی رخ می‌دهد.

طی سال‌ها فعالیت، این تلسکوپ کشفیات بسیاری انجام داده است؛ از جمله حباب‌های عظیم پرتو گاما که اکنون با نام حباب‌های فرمی شناخته می‌شوند. اگر مشاهدات تاتانی توسط دیگر اخترفیزیک‌دانان تأیید شود، این تلسکوپ رکورد خارق‌العادهٔ دیگری را به کارنامهٔ خود در کاوش فضا اضافه خواهد کرد.

تاتانی در یک بیانیهٔ خبری اعلام کرد که پرتوهای گامایی با انرژی فوتون ۲۰ گیگاالکترون‌ولت (معادل ۲۰ میلیارد الکترون‌ولت که مقداری بسیار عظیم از انرژی است) در ساختاری هاله‌مانند رو به مرکز کهکشان راه شیری شناسایی شده است و این الگوی تابشی تطابق بسیار نزدیکی با شکلی دارد که انتظار می‌رود از هالهٔ مادهٔ تاریک سرچشمه بگیرد.

نقشهٔ شدت پرتو گاما، پس از حذف مؤلفه‌های غیرهاله‌ای، منطقه‌ای حدود ۱۰۰ درجه رو به مرکز کهکشانی را پوشش می‌دهد. نوار افقی خاکستری در بخش مرکزی نشان‌دهندهٔ صفحهٔ کهکشان است که برای جلوگیری از تابش‌های اخترفیزیکی بسیار قوی از تحلیل کنار گذاشته شد.

طیف‌های انرژی مشاهده‌شده در این داده‌ها حاکی از نابودی ویمپ‌هایی با جرمی حدود ۵۰۰ برابر جرم یک پروتون هستند؛ مقداری که در محدودهٔ پیش‌بینی‌های نظری قرار دارد. تاتانی تأکید می‌کند که این انتشار پرتو گاما را نمی‌توان به سادگی به رویدادهای رایج اخترشناختی نسبت داد و این امر استدلال او را مبنی بر مشاهدهٔ واقعی مادهٔ تاریک تقویت می‌کند.
او در بیانیهٔ خبری خود افزود که اگر این نتیجه درست باشد، تا جایی که او می‌داند، این نخستین‌بار خواهد بود که انسان مادهٔ تاریک را می‌بیند. همچنین این امر نشان می‌دهد مادهٔ تاریک ذره‌ای جدید است که در مدل استاندارد کنونی فیزیک ذرات وجود ندارد؛ و این موضوع پیشرفتی بزرگ در اخترشناسی و فیزیک به شمار می‌رود.

البته که ادعاهای خارق‌العاده نیازمند شواهد خارق‌العاده و تأییدهای سخت‌گیرانه هستند. حتی اگر نتایج تاتانی از این آزمون دشوار سربلند بیرون بیاید، دانشمندان به نمونه‌های بیشتری از این پدیده در دیگر مناطق جهان نیاز خواهند داشت و در پی جست‌وجوی انتشارهای مشابه پرتو گاما از منابعی مانند کهکشان‌های کوتولهٔ موجود در هالهٔ راه شیری برخواهند آمد. بخشی از این داده‌ها شاید از خود فرمی به دست آید یا از رصدخانهٔ آیندهٔ Cherenkov Telescope Array که پدیده‌های کیهانی را با مطالعهٔ پرتوهای گامایی که با جو زمین برخورد می‌کنند بررسی خواهد کرد.