برای دهه‌ها، اخترشناسان در جستجوی ماده گمشده‌ی جهان بودند؛ ماده‌ی معمولی‌ای که طبق نظریه بیگ‌بنگ باید وجود داشته باشد، اما به طور کامل دیده نمی‌شود.
این موضوع مربوط به ماده تاریک نیست که بیشتر جرم جهان را تشکیل می‌دهد. بلکه بحث بر سر ماده‌ی عادی و قابل مشاهده‌ای مانند ستارگان، گاز و کهکشان‌هاست. حتی پس از محاسبه‌ی هر آنچه با تلسکوپ قابل مشاهده است، بیش از نیمی از این ماده همچنان مفقود به نظر می‌رسید.
اما تحقیقات جدید ممکن است این معما را حل کرده باشد. دانشمندان معتقدند ماده‌ی گمشده را در شکلی پیدا کرده‌اند که به صورت آشکار در دید ما پنهان شده بود: گاز بسیار رقیقی از هیدروژن نامرئی که بسیار دورتر از آنچه قبلاً فکر می‌کردیم، در اطراف کهکشان‌ها شناور است.
گاز کم‌نور، راز را فاش می‌کند
کشف در دانشگاه کالیفرنیا
این کشف توسط تیمی از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، برکلی و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی انجام شد.
متخصصان معتقدند ماده‌ی گمشده در یک هاله‌ی گسترده از هیدروژن یونیزه‌شده قرار دارد که کهکشان‌ها را احاطه کرده و حدود پنج برابر بیشتر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، امتداد دارد.
این گاز نمی‌درخشد یا نورافشانی نمی‌کند و تقریباً با ابزارهای سنتی غیرقابل شناسایی است. اما حضور آن کمک می‌کند تا ناسازگاری بزرگی بین آنچه در آسمان می‌بینیم و آنچه مدل‌های بیگ‌بنگ پیش‌بینی می‌کنند، رفع شود.
«ما فکر می‌کنیم زمانی که از کهکشان دورتر می‌شویم، تمام گاز گمشده را بازیابی می‌کنیم.»
- بوریانا حاجیسکیا، پژوهشگر فوق‌دکتری در UC برکلی و نویسنده‌ی اصلی مطالعه
«این اندازه‌گیری‌ها قطعاً با کشف تمام گاز سازگار است.»
- سیمونه فرارو، دانشمند ارشد در آزمایشگاه برکلی
پس‌زمینه‌ی کیهانی مایکروویو
روش شناسایی گاز
تیم تحقیقاتی از تکنیکی استفاده کرد که شامل «انباشتن» تصاویر حدود ۷ میلیون کهکشان بود. این کهکشان‌ها در فاصله‌ی ۸ میلیارد سال نوری از زمین قرار دارند.
با بررسی نحوه‌ی کاهش یا افزایش اندک نور پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی توسط این کهکشان‌ها، محققان موفق به شناسایی اثر پراکندگی ناشی از الکترون‌های آزاد در گاز یونیزه شده‌اند. این پدیده، اثر کینماتیک سونیایف-زلدوویچ نامیده می‌شود.
«تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی پشت تمام چیزی است که در جهان می‌بینیم. این لبه‌ی جهان قابل مشاهده است. بنابراین می‌توانید از آن به عنوان نور پس‌زمینه برای دیدن گاز استفاده کنید.»
- فرارو
ابزارهای مورد استفاده
تصاویر کهکشانی توسط ابزار طیف‌سنج انرژی تاریک (DESI) روی تلسکوپ مایال در آریزونا گرفته شد. برای نور پس‌زمینه، داده‌ها از تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما در شیلی استخراج شدند که تا زمان بازنشستگی در سال ۲۰۲۲، دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های تابش پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی را ارائه کرده بود.
گاز خارج‌شده از سیاهچاله‌ها
تأثیر بر مرکز کهکشان‌ها
این کشف تنها راز ماده‌ی گمشده را حل نمی‌کند، بلکه بینش‌هایی در مورد اتفاقات در مرکز کهکشان‌ها، به ویژه پیرامون سیاهچاله‌های عظیم در هسته‌ی آن‌ها، ارائه می‌دهد.
به طور سنتی تصور می‌شد که سیاهچاله‌ها فقط در مراحل اولیه‌ی زندگی خود، زمانی که در حال تغذیه از مواد اطراف هستند، گاز و پرتو ساطع می‌کنند. اما تحقیقات جدید نشان می‌دهد که این سیاهچاله‌ها ممکن است در دوره‌های میانی خود نیز فعالیت داشته باشند.
«یکی از مسائلی که هنوز درک نکرده‌ایم، درباره‌ی AGNها است. یکی از فرضیه‌ها این است که آن‌ها گاهی روشن و خاموش می‌شوند که به آن چرخه‌ی کاری گفته می‌شود.»
- حاجیسکیا
این فرآیند که بازخورد نام دارد، شامل خارج شدن گاز از کهکشان و بازگشت آن به صفحه‌ی کهکشانی می‌شود. این چرخه نقش کلیدی در تنظیم شکل‌گیری ستارگان جدید ایفا می‌کند.
تأیید از طریق نمونه‌های نزدیک‌تر
در سال ۲۰۲۰، فرارو و همکارانش نشانه‌هایی از این بازخورد گسترده را مشاهده کرده بودند. دانشجوی دکترا، برناردیتا رید گواچالا از دانشگاه استنفورد نیز بعداً این یافته‌ها را با استفاده از نمونه‌های نزدیک‌تر کهکشانی تأیید کرد.
او نشان داد که این گاز به صورت یکنواخت در اطراف کهکشان‌ها پخش نمی‌شود، بلکه در امتداد رشته‌های کیهانی – رشته‌های بلند ماده که کهکشان‌ها را به هم متصل می‌کنند – توزیع شده است.
بازنگری در مدل‌های کیهان‌شناسی
ضرورت بهبود مدل‌های تحول کهکشانی
این یافته‌ها نشان می‌دهد که مدل‌های تحول کهکشانی به بازنگری جدی نیاز دارند. شبیه‌سازی‌های فعلی که نحوه‌ی شکل‌گیری و تغییر کهکشان‌ها را مدل‌سازی می‌کنند، معمولاً این مقدار زیاد از گاز را که توسط سیاهچاله‌ها به دوردست رانده می‌شود، لحاظ نمی‌کنند.
برخی از محققان هم‌اکنون مدل‌های خود را برای انطباق بهتر با این شواهد جدید تطبیق می‌دهند. این نتایج همچنین به روشن شدن سایر معماهای دیرینه در کیهان‌شناسی کمک می‌کند.
«دانستن محل گاز یکی از جدی‌ترین موانع در تلاش برای استخراج نتایج کیهان‌شناسی از بررسی‌های فعلی و آینده است.»
- فرارو
بازنگری در مفاهیم موجود
برای مثال، برخی فرضیات می‌گویند که گاز، ماده تاریک را دنبال می‌کند. اما اگر مقادیر زیادی گاز از کهکشان‌ها خارج شود، این فرض باید بازنگری شود. در غیر این صورت، محاسبات کیهان‌شناسی می‌تواند نادرست شود. اکنون این پژوهش می‌تواند به رفع این مشکلات کمک کند.
«تعداد زیادی از محققان علاقه‌مند به استفاده از اندازه‌گیری‌های ما برای انجام یک تحلیل کامل شامل این گاز هستند.»
- حاجیسکیا
از ماده‌ی گمشده تا بینش‌های کیهانی
باز کردن پنجره‌ای جدید به جهان اولیه
فراتر از توضیح وضعیت کهکشان‌های فعلی، این رویکرد می‌تواند پنجره‌ای جدید به سوی جهان اولیه بگشاید.
با استفاده از همان اثر کینماتیک سونیایف-زلدوویچ، دانشمندان ممکن است بتوانند ساختارهای بزرگ‌مقیاسی را که بلافاصله پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند، مطالعه کنند. این روش حتی می‌تواند به آزمودن نظریه‌های اصلی درباره‌ی گرانش و نسبیت عام کمک کند.
