فوران‌های سریع رادیویی معمای ده‌ها ساله «ماده معمولی گمشده» جهان را حل کردند

برای بیش از سی سال، کیهان‌شناسان با یک ناهماهنگی آشکار در بودجه جرمی جهان مواجه بودند. اندازه‌گیری‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی—تابش باستانی باقی‌مانده از مه‌بانگ—دقیقاً تعیین می‌کند که چه مقدار ماده معمولی باید وجود داشته باشد. با این حال، وقتی ستاره‌شناسان تمام ستارگان، سیارات، ابرهای غبار و کهکشان‌هایی را که می‌توانستند از طریق تلسکوپ‌های خود ببینند، شمارش کردند، بیش از نیمی از آن ماده به سادگی گم شده بود. این یک خطای حسابداری بنیادی در مقیاس کیهانی بود که باعث شد دانشمندان تعجب کنند که آیا مدل‌های بنیادی آن‌ها از جهان به نحوی دارای نقص هستند.

این ماده گمشده، ماده تاریک نیست؛ ماده‌ای عمیقاً مرموز و نامرئی که تقریباً ۸۵ درصد از کل جرم جهان را تشکیل می‌دهد. در عوض، این ماده باریونی است—پروتون‌ها و نوترون‌های معمولی که جهان ملموس را تشکیل می‌دهند، از بدن انسان گرفته تا ستارگان سوزان. نظریه‌پردازان مدت‌ها گمان می‌کردند که این نیمه گمشده در محیط میان‌کهکشانی پنهان شده است و به صورت گازی پراکنده و میلیون درجه‌ای در فضاهای وسیع و تاریک بین کهکشان‌ها شناور است.

مانع اصلی، کشف تجربی بود. این مه میان‌کهکشانی به قدری فوق‌العاده رقیق است—معادل تنها یک یا دو اتم که در حجمی به اندازه یک دفتر کار معمولی شناورند—که هیچ نور مرئی ساطع نمی‌کند و تقریباً هیچ نوری را جذب نمی‌کند. تلسکوپ‌های نوری و پرتو ایکس سنتی به سادگی نمی‌توانستند آن را ببینند، و «مسئله باریون گمشده» را به یکی از پایدارترین و ناامیدکننده‌ترین معماهای اخترفیزیک تبدیل کرده بود.[1]

این پیشرفت نه با جستجوی خود گاز، بلکه با مشاهده چگونگی تحریف یک پدیده کیهانی عجیب و غریب به دست آمد: فوران‌های سریع رادیویی (FRBs). این فوران‌ها که اولین بار در سال ۲۰۰۷ کشف شدند، جرقه‌های زودگذر و میلی‌ثانیه‌ای انرژی رادیویی هستند که از کهکشان‌های دوردست فوران می‌کنند. در کسری از ثانیه، یک فوران واحد به اندازه انرژی‌ای که خورشید ما در طول سی سال ساطع می‌کند، انرژی آزاد می‌کند و به عنوان یک چراغ قوه کیهانی درخشان عمل می‌کند.[2]

هنگامی که امواج رادیویی شدید یک FRB میلیاردها سال نوری را به سمت زمین طی می‌کنند، باید از مه نامرئی میان‌کهکشانی عبور کنند. الکترون‌های آزادی که در این پلاسما معلق هستند، با امواج رادیویی تعامل می‌کنند و باعث پراکندگی سیگنال می‌شوند. درست مانند یک منشور شیشه‌ای که نور سفید را به رنگین‌کمان تجزیه می‌کند، محیط میان‌کهکشانی نیز فوران رادیویی را تجزیه می‌کند. طول موج‌های بلندتر و قرمزتر کمی بیشتر از طول موج‌های کوتاه‌تر و آبی‌تر کند می‌شوند.

هنگامی که فوران سرانجام به زمین می‌رسد، به طور همزمان نمی‌رسد. امواج رادیویی با فرکانس بالا کسری از ثانیه قبل از امواج با فرکانس پایین به تلسکوپ‌های ما برخورد می‌کنند. ستاره‌شناسان با اندازه‌گیری دقیق این تأخیر—پدیده‌ای که به عنوان پراکندگی (Dispersion) شناخته می‌شود—می‌توانند دقیقاً محاسبه کنند که فوران در طول سفر خود با چند الکترون مواجه شده است. هرچه تأخیر بیشتر باشد، سیگنال از ماده بیشتری عبور کرده است.

لیام کانر، اخترفیزیکدان مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان، توضیح می‌دهد: «FRBها از میان مه محیط میان‌کهکشانی می‌درخشند، و با اندازه‌گیری دقیق اینکه چگونه نور کند می‌شود، می‌توانیم آن مه را وزن کنیم، حتی زمانی که برای دیدن بسیار ضعیف است.» این فوران‌ها به عنوان ایستگاه‌های توزین کیهانی عمل می‌کنند و شبکه نامرئی جهان را که کهکشان‌ها را به هم متصل می‌کند، روشن می‌سازند.

برای اینکه این محاسبه ریاضی کار کند، ستاره‌شناسان باید دقیقاً می‌دانستند که FRBها چقدر دور هستند. این امر مستلزم ثبت جرقه میلی‌ثانیه‌ای و مشخص کردن فوری مختصات دقیق آن در آسمان است. ابزارهایی مانند «آرایه پیشگام کیلومتر مربع استرالیا» (ASKAP) و تلسکوپ رادیویی DSA-110 کالتک با بافرهای داده گذرا ساخته شدند تا این بازپخش‌های عملیاتی زنده را ضبط کنند و فوران را در زمان منجمد سازند.

هنگامی که تلسکوپ‌های رادیویی فوران را در یک بخش خاص از آسمان بومی‌سازی می‌کنند، بزرگترین رصدخانه‌های نوری جهان، مانند تلسکوپ بسیار بزرگ (VLT) در شیلی، برای تصویربرداری از کهکشان میزبان به سمت آن می‌چرخند. ستاره‌شناسان با اندازه‌گیری انتقال به سرخ نوری کهکشان، فاصله دقیق آن از زمین را تعیین می‌کنند و نیمه دوم حیاتی معادله مورد نیاز برای وزن کردن فضای بینابینی را فراهم می‌آورند.[2]

اثبات بنیادی این روش در سال ۲۰۲۰ توسط ستاره‌شناس فقید استرالیایی، ژان-پیر مک‌کوارت، پایه‌گذاری شد. او یک رابطه مستقیم و خطی را نشان داد: هرچه FRB از مبدأ دورتری سرچشمه بگیرد، گاز پراکنده‌تری را بین کهکشان‌ها آشکار می‌کند. این اصل، که اکنون به عنوان «رابطه مک‌کوارت» شناخته می‌شود، کلید ریاضی برای گشودن محیط میان‌کهکشانی و اثبات وجود ماده در آنجا را فراهم کرد.[1][2]

بررسی‌های جامع اخیر این کشف را به قانون کیهان‌شناسی تبدیل کرده است. یک مطالعه برجسته که در نشریه «نیچر آسترونومی» منتشر شد، ده‌ها FRB بومی‌سازی شده، از جمله FRB 20230521B را که از فاصله رکوردشکن ۹.۱ میلیارد سال نوری سرچشمه گرفته بود، تجزیه و تحلیل کرد. تیم تحقیقاتی با اعمال رابطه مک‌کوارت در این مجموعه داده عظیم، موفق شد ۱۰۰ درصد از باریون‌های گمشده را محاسبه کند.

داده‌ها واقعیت حیرت‌انگیزی را در مورد ترکیب جهان ما آشکار کردند. تقریباً ۷۶ درصد از ماده معمولی جهان در فضاهای خالی میان‌کهکشانی معلق است، عمدتاً به صورت گاز هیدروژن یونیزه شده. ۱۵ درصد دیگر در هاله‌های ماده تاریک اطراف خوشه‌های کهکشانی قرار دارد، و تنها کسر کوچکی معادل ۹ درصد برای تشکیل خود کهکشان‌های مرئی، ستارگان و سیارات باقی می‌ماند.

تأیید ماده گمشده کاملاً با مدل استاندارد کیهان‌شناسی همخوانی دارد و دهه‌ها فیزیک نظری در مورد هسته‌زایی مه‌بانگ را تأیید می‌کند. این امر ثابت می‌کند که ماده هرگز واقعاً گم نشده بود؛ بشر صرفاً فاقد ابزارهای تکنولوژیکی برای درک آن بود تا زمانی که عصر اخترفیزیک فوران‌های سریع رادیویی فرا رسید.[1]

در حالی که معمای ماده گمشده حل شده است، ابزارهایی که برای یافتن آن استفاده شدند، همچنان عمیقاً اسرارآمیز باقی مانده‌اند. موتورهای اخترفیزیکی دقیقی که فوران‌های سریع رادیویی را تأمین می‌کنند، هنوز به شدت مورد بحث هستند. کاندیداهای اصلی فعلی، ستاره‌های نوترونی با میدان مغناطیسی بسیار قوی و چرخان سریع هستند که به عنوان مگنتارها (Magnetars) شناخته می‌شوند، اگرچه ادغام کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های در حال فروپاشی نیز ممکن است در تحریک این آزادسازی‌های عظیم انرژی نقش داشته باشند.[2]

این حوزه اکنون وارد عصر طلایی نقشه‌نگاری کیهانی می‌شود. انتظار می‌رود تأسیسات نسل بعدی، مانند DSA-2000 برنامه‌ریزی شده در صحرای نوادا و آرایه بین‌المللی کیلومتر مربع (SKA)، هر ساله ده‌ها هزار FRB را شناسایی و بومی‌سازی کنند و یک ناهنجاری نجومی نادر را به یک ابزار نقشه‌برداری صنعتی تبدیل کنند.[2]

با این هجوم عظیم داده‌ها، ستاره‌شناسان از صرفاً وزن کردن جهان به نقشه‌برداری سه‌بعدی آن روی خواهند آورد. دانشمندان قصد دارند با ردیابی پراکندگی هزاران FRB که در آسمان در حال عبور هستند، یک نقشه توموگرافی دقیق از شبکه کیهانی بسازند و داربست نامرئی‌ای را که تمام کهکشان‌ها بر روی آن بنا شده‌اند، آشکار سازند.