"المادة المظلمة"، الحاضر العظيم الغائب عن الكون، تزعج بقية علماء الفلك.

تتناول مقالتان بقلم أفيشاي جال يام مسألة وجود المادة المظلمة

الظلام في العيون - سر المادة المظلمة

من أكثر الأسئلة المثيرة للاهتمام التي شغلت علماء الفلك في السنوات الأخيرة هي مسألة "المادة المظلمة". هذا هو الاسم الذي يطلقه الباحثون على المادة التي يحددونها من خلال تأثير قوة الجاذبية التي تمارسها على الأجسام الأخرى، ولكن لا يمكن رؤيتها لأنها لا ينبعث منها الضوء.

كان أحد الموضوعات البحثية الأولى التي وضعت وجود المادة المظلمة على جدول الأعمال الفلكي هو اختبار سرعات دوران النجوم حول مراكز المجرات. معظم النجوم في الكون موجودة داخل المجرات - مجموعات ضخمة من مليارات النجوم تدور حول مركز مشترك. تنص نظرية نيوتن في الجاذبية العالمية على أن سرعة دوران النجوم حول مركز المجرة تعتمد على بعدها عن مركز المجرة وكتلة المجرة. وعندما فحص الباحثون سرعات دوران النجوم والسحب الغازية البعيدة عن مراكز ما يسمى بالمجرات "الحلزونية" (بسبب شكلها)، وجدوا أن سرعة الدوران المقاسة كانت أكبر بكثير من المتوقع. ومن هذا المنطلق، استنتج الباحثون أن كتلة المجرة أعلى بكثير مما قدروه بناء على الضوء القادم من النجوم - أي أنها تحتوي على مادة إضافية غير مرئية بالعين: "المادة المظلمة".

بالإضافة إلى المادة المظلمة في المجرات الحلزونية، تم العثور على دليل على وجود مثل هذه المادة أيضًا في أنواع أخرى من المجرات وفي مجموعات المجرات: مجموعات من آلاف المجرات التي تدور حول مركز مشترك. في الواقع، وفقًا لمعظم علماء الفلك، فإن الغالبية العظمى من المادة في الكون مظلمة. السؤال الواضح إذن هو: ما هي تلك المادة المظلمة؟

يوجد حاليًا إجابتان مقبولتان لهذا السؤال. إحدى الإجابات هي أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات مختلفة عن تلك التي تشكل المادة التي نعرفها من الحياة اليومية (البروتونات والنيوترونات والإلكترونات). الادعاء هو أن هذه الجسيمات ليس لها شحنة كهربائية وأن القوة الكهرومغناطيسية لا تنطبق عليها. ويترتب على ذلك أنهم لا يستطيعون إصدار أي إشعاع كهرومغناطيسي: لا ضوء، ولا موجات راديو، ولا إشعاع أشعة سينية. وبما أن أجهزة المراقبة الموجودة اليوم تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي، فإن هذه المواد ستكون "مظلمة" بالنسبة لنا.

مثل هذه الجسيمات غير معروفة من خلال التجارب، لكنها من الناحية النظرية قد تكون موجودة بالفعل. وتشارك العديد من المجموعات البحثية حول العالم في بناء مرافق تجريبية تهدف إلى اكتشاف الجسيمات الغامضة. في التجارب، لاحظ العلماء كميات كبيرة من الماء أو الجليد تحت ظروف خاضعة للرقابة، وتتبعوا ومضات صغيرة من الضوء ينبغي أن تنبعث عندما يصطدم جسيم من المادة المظلمة بجزيء من الماء أو الجليد. وفي تجربة أجراها علماء فرنسيون تسمى "سوبر كاميوكانادا"، لاحظ العلماء خزانات تحتوي على ملايين اللترات من الماء. وتقع الحاويات في منجم تحت الأرض، وذلك لمنع الأشعة الكونية "العادية" من إتلاف المياه والتسبب في بريق مماثل. وتجري مجموعة أخرى من العلماء تجربة مماثلة في الغطاء الجليدي فوق القطب الجنوبي. وفي هذه الحالة، يتم دفن أجهزة الكشف الحساسة للضوء في أعماق الجليد.

الجواب الثاني على سؤال "ما هي المادة المظلمة" هو أنها مادة "طبيعية"، معظمها غاز الهيدروجين، محصور داخل نجوم باردة وصغيرة (نسبة إلى الشمس) تسمى "الأقزام البنية". الأقزام البنية لا ينبعث منها الضوء، لذلك لا يمكن رؤيتها من مسافة بعيدة. وبهذا المعنى، أصبحت المادة "العادية" مادة مظلمة.

وقد اكتشفت عمليات الرصد في المنطقة الأقرب إلى الشمس مؤخرًا بعض الأقزام البنية، لكن العلماء لم يتمكنوا من تحديد مدى شيوعها في مناطق أخرى من الكون وما إذا كان عددها كبيرًا بما يكفي لتفسير كل المادة المظلمة المقاسة في المجرات. للإجابة على هذا السؤال، بدأت مجموعة دولية من العلماء منذ سنوات قليلة بمشروع بحثي يعرف باسم MACHO، وبما أنه لا يمكن ملاحظة الأقزام البنية بشكل مباشر، فقد اقترح الباحثون تحديد موقعها من خلال تأثيرها على الضوء القادم من النجوم البعيدة. تقول النظرية النسبية العامة أن الأجسام الثقيلة تشوه الفضاء وبالتالي تحرف مسار أشعة الضوء المنتشرة عبر الفضاء. وهذا التأثير يشبه تأثير العدسة البصرية -العدسة المكبرة مثلا- التي تغير مسار أشعة الضوء عن طريق انكسارها. ولهذا السبب فإن تأثير الأجسام الثقيلة على أشعة الضوء يسمى "عدسة الجاذبية". فكما تقوم العدسة المكبرة بتركيز الضوء المار من خلالها وزيادة شدته، فإن الأقزام البنية التي تمر بيننا وبين النجوم البعيدة تصبح "عدسات جاذبية" وتزيد شدة النجوم البعيدة لفترة معينة. وبدأ علماء الفلك برصد ملايين النجوم كل ليلة، بمساعدة تلسكوب خاص مخصص لهذا الغرض في أستراليا. وفي كل ليلة، تم قياس شدة إضاءة كل نجم ومقارنتها بشدتها في الليالي السابقة. وكان افتراض الباحثين أن مرور قزم بني غير مرئي بيننا وبين أحد النجوم من شأنه أن يزيد من سطوع النجم. وكانوا يأملون أن تجعل درجة التضخيم ووقت الحدث من الممكن تقدير كتلة وموقع تلك "عدسة الجاذبية" غير المرئية. هذه الأيام، وبعد حوالي ست سنوات من النشاط المكثف، أعلن قادة مشروع MACHO نهايته. لقد أنتج MACHO الكثير من المعلومات الفلكية المثيرة للاهتمام - اكتشف العلماء مئات من أحداث غبار الجاذبية في مجرتنا - وأثبتوا أنه من الممكن استخدام هذه الطريقة للبحث عن الأقزام البنية. ما فشل المشروع في فعله هو الإجابة بشكل لا لبس فيه على السؤال الأساسي: مما تتكون المادة المظلمة؟ يواصل العديد من الباحثين حول العالم محاولة حل هذا اللغز المثير للقلق.

ينكر البروفيسور مردخاي ميلجروم وجود المادة المظلمة ويقترح تحديث نظرية نيوتن للجاذبية. المادة الثانية

أفيشاي جال يام

وفي مقال "الظلام في العيون (1)" تم وصف بحث علماء الفيزياء الفلكية عن "المادة المظلمة". هذا هو الاسم الذي يطلقه الباحثون على المادة التي يتعرفون عليها من خلال تأثير قوة الجاذبية التي تمارسها على الأجسام الأخرى، لكن من المستحيل رؤيتها لأنها لا ينبعث منها ضوء. إن وجود المادة المظلمة فرضية: أنها تنشأ من الفجوة غير القابلة للسد بين كتلة المجرات، حيث يتم تقديرها بناءً على الضوء القادم منها، ونفس الكتلة، حيث يتم حسابها بناءً على سرعات دوران النجوم. التحرك حول تلك المجرات. إن كتلة المادة المرئية في المجرات أصغر من أن تفسر سرعات دوران النجوم، ومن أجل تحقيق التطابق بين القياسات والتنبؤات النظرية، كان على العلماء افتراض وجود "المادة المظلمة"، التي تزيد من كثافة المادة المرئية. كتلة المجرات ولكنها لا ينبعث منها أي ضوء. وفقًا لمعظم علماء الفيزياء الفلكية، فإن معظم المادة الموجودة في الكون مظلمة.

هناك فرضيتان رئيسيتان فيما يتعلق بجوهر المادة المظلمة: وفقًا لإحداهما، تتكون المادة المظلمة من جزيئات مختلفة عن تلك التي تشكل المادة التي نعرفها؛ ليس لديهم شحنة كهربائية ولا تؤثر عليهم القوة الكهرومغناطيسية.

الفرضية الثانية هي أن المادة المظلمة هي في الواقع مادة "طبيعية"، معظمها عبارة عن غاز الهيدروجين، محصور داخل نجوم تسمى "الأقزام البنية". الأقزام البنية لا ينبعث منها الضوء، لذلك لا يمكن رؤيتها من مسافة بعيدة. وقد حاول العديد من الباحثين تحديد موقع الأقزام البنية في السنوات الأخيرة. لقد اكتشفوا مئات الأحداث التي عززت فيها الأقزام البنية قوة النجوم، لكنهم لم يتمكنوا من الإجابة على سؤال ما هي المادة المظلمة التي تتكون منها.

طرح البروفيسور موردخاي ميلجروم من معهد وايزمان مقترحًا آخر لحل مسألة المادة المظلمة في أوائل الثمانينيات. السبب الذي يجعل علماء الفيزياء الفلكية يفترضون وجود المادة المظلمة، كما ذكرنا، هو عدم التوافق بين ملاحظات وتنبؤات نظرية نيوتن للجاذبية. وربما يكون الحل، كما يقترح البروفيسور ميلجروم، ليس في البحث عن نوع جديد وغير مرئي من المادة، بل في تغيير نظرية الجاذبية.

تصف نظرية نيوتن للجاذبية بدقة كبيرة سلوك الأجسام الموجودة على الأرض ومدارات معظم الكواكب في النظام الشمسي.

وعلى الأجسام التي تتحرك على مسافة قريبة جداً من الأجسام الثقيلة جداً، مثل كوكب عطارد (كوكب هيما) الذي يتحرك قريباً جداً من الشمس، تؤثر قوة جاذبية قوية جداً. وفي مثل هذه الحالات، فإن نظرية نيوتن للجاذبية ليست دقيقة تمامًا. ومن أجل وصف حركة الأجسام المتحركة تحت تأثير قوة جاذبية شديدة، لا بد من استخدام النظرية النسبية العامة لأينشتاين. في الواقع، كان الحساب الدقيق لمدار كوكب عطارد حول الشمس أحد أول إنجازات النسبية العامة.

ومع ذلك، عند الحديث عن الأجسام التي تتحرك تحت تأثير قوة جاذبية ضعيفة -على سبيل المثال، النجوم التي تتحرك في مدارات بعيدة عن مراكز المجرات- فإن تنبؤات النسبية العامة هي نفس تنبؤات نظرية نيوتن. ومن الممكن، كما يقول البروفيسور ميلجروم، أن تكون نظرية الجاذبية المناسبة لهذه الحالات مختلفة عن نظرية نيوتن، بحيث تكون قوة الجاذبية المؤثرة على الأجسام أضعف. وفي هذه الحالة، ليست هناك حاجة للمادة المظلمة على الإطلاق.

في أوائل الثمانينات، اقترح البروفيسور ميلجروم نظرية جديدة للجاذبية -
ديناميات نيوتن المعدلة (MOND). وينص المبدأ المركزي في التوراة على أن الأجسام التي تتحرك تحت تأثير الجاذبية أضعف من عتبة معينة، تتصرف بشكل مختلف عما كان متوقعا وفقا لنظرية نيوتن. وتشرح الحسابات وفق مبادئ التوراة الجديدة مدارات النجوم والسحب الغازية في المجرات بناء على المادة المرئية فقط، دون الحاجة إلى إضافة مادة مظلمة. أظهرت مجموعات من العلماء - من بين آخرين من إسرائيل والولايات المتحدة وهولندا - في السنوات الأخيرة أنه من الممكن تفسير ديناميكيات أنواع مختلفة من المجرات وكذلك مجموعات المجرات - مجموعات من مئات المجرات التي تدور حول مركز مشترك في الفضاء - حسب مبادئ التوراة الجديدة. منذ نشرها، لم يتم طرح أي حجج تثبت بشكل لا لبس فيه أن نظرية MOND غير صحيحة. ومع ذلك، فإن معظم علماء الفيزياء الفلكية في إسرائيل وحول العالم يفضلون تفسير الكون باستخدام نظرية نيوتن، مع افتراض أن معظم المادة الموجودة في الكون غير مرئية بالعين المجردة.

ويبدو أن نقطة الضعف الرئيسية في النظرية - MOND، وهو الضعف الذي يجعلها غير مقبولة لدى معظم علماء الفيزياء الفلكية - هي حقيقة أنها ليست مستمدة من نظرية تعادل نظرية النسبية العامة لأينشتاين. طور أينشتاين نظرية النسبية العامة وفقًا للمبادئ الفيزيائية والرياضية الأساسية؛ فقط بعد صياغته تم اختباره تجريبيا وتبين أنه صحيح. ومن ناحية أخرى، تم تطوير MOND لشرح نوع معين من الملاحظات، وهي ليست مستمدة من المبادئ الفيزيائية والرياضية الأساسية التي تستمد منها النسبية العامة. كما أنه إذا كانت نظرية MOND صحيحة فمن الضروري تغيير النظرية النسبية العامة وصياغة نظرية عامة أخرى مكانها والتي ستشتق منها MOND مثلما تشتق نظرية نيوتن من النظرية النسبية العامة.

ويبدو أن معظم الباحثين حاليا يفضلون الاحتفاظ بنظرية نيوتن للجاذبية والبحث عن "المادة المظلمة". يواصل البروفيسور ميلجروم وعلماء آخرون اختبار ما إذا كانت نظرية MOND أو النظريات المماثلة الأخرى لا تصف الكون بشكل أفضل.

{ظهر في صحيفة هآرتس بتاريخ 25/1/2000{
كان موقع المعرفة في نفس الوقت جزءًا من بوابة IOL التابعة لمجموعة هآرتس