افشای راز ماده تاریک با ارسال ساعت‌های اتمی به نزدیکی خورشید

فضاپیمایی که ساعت های اتمی فوق دقیق را به نزدیکی خورشید حمل کند، میتواند به افشای هویت ماده ی نامرئی و اسرارآمیز تاریک کمک کند.

ماده ی تاریک ماده ای نامرئی است که به باور پژوهشگرها تقریباً پنج ششم از کل ماده ی موجود در جهان را تشکیل می دهد. گرچه ماده ی تاریک هرگز به صورت مستقیم رصد نشده است، از طریق آثار گرانشی که بر حرکت ستاره ها و کهکشان ها دارد می توان به وجود آن پی برد؛ اما ترکیب ماده ی تاریک هنوز به صورت یک راز باقی مانده است. به عقیده ی یو دای سای، فیزیک دان دانشگاه ایرواین کالیفرنیا، کشف ماده ی تاریک یکی از بزرگ ترین دستاوردهای تاریخ بشر خواهد بود.

در مطالعه ای جدید، پژوهشگران با استفاده از دقیق ترین ساعت هایی که تاکنون ساخته شده اند، روشی جدید را برای کشف ماهیت ماده ی تاریک پیشنهاد داده اند. در حالیکه ساعت های قدیمی زمان را با پاندول های نوسانگر حفظ می کنند، ساعت اتمی بر نوسان های کوانتومی اتم ها نظارت می کند. در شرایط فعلی، بهترین ساعت اتمی به قدری دقیق است که تنها هر ۳۰۰ میلیارد سال، یک ثانیه زمان اتلاف شده دارد.

ساعت های اتمی به صورت منظم به فضا فرستاده می شوند. برای مثال ماهواره های GPS برای پخش پیغام های دقیق زمان بندی شده که هر گیرنده ی GPS برای موقعیت یابی به کار می برد، به ساعت های اتمی وابسته اند.

فیزیک دان ها در پژوهش جدید خود طرح کاوشگری به نام SpaceQ را برای قرار گرفتن در مدار نزدیک به خورشید پیشنهاد دادند. سازمان ناسا به تازگی کاوشگر پارکر را به خورشید ارسال کرده است. این فضاپیما رکورد نزدیک شدن به خورشید را بیشتر از هر کاوشگر دیگری شکست و برای اولین بار در سال ۲۰۲۱ از میان تاج خورشیدی، جو فوقانی فراداغ خورشید پرواز کرد. جاشوا ابی، فیزیکدان دانشگاه توکیو در گفت و گو با Space.com گفت: قطعاً چالش های فنی زیادی برای پیاده سازی مأموریت پیشنهادی ما وجود دارد یکی از این چالش ها چگونگی محافظت از حسگرهای حساس کوانتومی در برابر محیط های نزدیک به خورشید است؛ اما مأموریت هایی مثل کاوشگر پارکر ثابت می کنند می توان کارهای شگفت انگیزی انجام داد و بنظر میرسد هیچ مانعی بر سر راه وجود ندارد. برای این کار نیاز به مقداری تحقیق و توسعه است اما این پروژه فعلا در آغاز راه به سر می برد.

ذرات شبح وار فوق سبک یکی از کاندیدهای پیشتاز ماده ی تاریک است. برای مثال ، ذره ای فرضی موسوم به آکسیون ممکن است دارای جرمی کمتر از یک میلیاردیم الکترون باشد. فیزیک دان های نظری، ماهیت آکسیون ها را برای کمک به توضیح برهم کنش بین برخی ذرات پیشنهاد دادند. سای می گوید، اگر این نوع ماده ی تاریک وجود داشته باشد، می توانید تصور کنید که ما در میان امواج آن شناوریم.

اگر ماده ی تاریک از ذرات فوق سبک ساخته شده باشد، ماهیت بی جسم این ذرات کشف این ماده را بسیار دشوار می سازد. با این حال از آنجا که خورشید با جرم ۳۳۰ هزار برابر زمین، بسیار سنگین تر از سیاره ی ما است، کشش گرانشی قوی تری هم دارد. به این ترتیب خورشید می تواند مقدار بیشتری از ماده ی تاریک را نسبت به زمین آشکار کند. این چگالی عظیم باعث می شود کاوشگرهای نزدیک به خورشید، این ذرات شبح وار را کشف کنند.

به گفته ی ماریانا سافروناوا، فیزیک دان دانشگاه دلور و یکی از مؤلفان پژوهش، کاوشگر پارکر ثابت کرد که می توان ماهواره ای را در فاصله ی بسیار نزدیکی از خورشید قرار داد و به اکتشافات جدیدی دست پیدا کرد.

دراصل، امواج ذرات فوق سبک ماده تاریک (Dark matter) می توانند تغییراتی را در ثابت های بنیادین طبیعت، مانند جرم الکترون یا قدرت نیروهای الکترومغناطیسی ایجاد کنند. این اتفاق به نوبه ی خود نحوه ی تیک تاک ساعت های اتمی را تغییر می دهد؛ اثری که به اتم های مورد استفاده ی ساعت بستگی دارد. بنابراین شاید پژوهشگرها بتوانند با مقایسه ی چگونگی حفظ زمان در دو ساعت اتمی متفاوت نزدیک به خورشید، ماده ی تاریک را کشف کنند. آثار قابل مقایسه را می توان در ساعت های آینده موسوم به ساعت های هسته ای نیز مشاهده کرد که امکان دارد حتی دقیق تر از ساعت های اتمی باشند.

ابی می گوید: اگر ماده ی تاریک فوق سبک در مأموریتی این چنینی آشکار شود، مدرکی برای چگالی ماده ی تاریک در نزدیکی خورشید و همچنین ارتباط آن با ماده ی معمولی به دست می آید.

گفتنی است مأموریت SpaceQ نیاز به ساعت هایی دارد که هنوز در دست ساخت هستند. علاوه بر این حتی اگر این مأموریت بتواند سیگنال های ماده ی تاریک را کشف کند، پژوهشگرها برای صحت سنجی یافته ها نیاز به آزمایش های مستقلی دارند. با این حال به گفته ی سای، اگر بتوان ماده ی تاریک را در موقعیت های مختلف اندازه گیری کرد میتوان نقشه ای از توزیع چگالی آن تهیه کرد و اگر سیگنال به سمت خورشید قوی تر شود نشانه ای برای کشف خواهد بود.