كشف ما لا يمكن كشفه – الباحثون في مطاردة المادة المظلمة بمساعدة الطباعة ثلاثية الأبعاد

الصيد لأحد أعمق أسرار الكون يستمر بينما يسعى العلماء لاكتشاف أسرار المادة المظلمة. المادة المظلمة مسؤولة عن العمليات الأساسية في النظام الشمسي مثل تكوين المجرات، لكنها صعبة الكشف بشكل ملحوظ. دراسة جديدة قدمها باحثون من كلية الفيزياء والفلك بجامعة نوتنغام تُظهر طريقة لاكتشاف المادة المظلمة باستخدام نظام فراغ مصمم خصيصًا. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

ما هي المادة المظلمة؟

المادة العادية هي ما يعتبره الناس كل شيء. أي شيء يشغل مساحة وله كتلة يندرج تحت هذه الفئة من أكبر نجمة إلى أصغر ذرة. ومن المدهش أن هذا النوع من المادة يمثل جزءًا صغيرًا فقط من المعادلة. تحديدًا، يشكل حوالي 5٪ فقط من تركيبة الكون.

استنتج الباحثون أن 30٪ من الكون يتكون من الطاقة السوداء، وهي قوة غامضة أخرى يدرسها العلماء منذ فترة. النسبة المتبقية 69٪ هي المادة المظلمة. وضع الباحثون العديد من الافتراضات حول هذه القوة.

يعتقد البعض أن المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء أولية، بينما استنتج آخرون أن هذه يجب أن تكون جسيمات دون ذرية غير مكتشفة. على الرغم من مواقفهم، يتفق الجميع على أن العلم لا يمتلك بعد معدات حساسة بما يكفي لالتقاط هذا المستوى من الطاقة.

كيف تم اكتشاف المادة المظلمة؟

أول مرة ذكر فيها الفلكيون المادة المظلمة كانت في عام 1933. فلكي سويسري-أمريكي يُدعى فريتز زويكي تفاجأ عندما وجد أن مجرة مجموعة كومّا تتعارض مع المعتقدات الفلكية المعروفة في ذلك الوقت. كانت المجرة تملك فقط 1٪ من الكتلة اللازمة لتماسك المجرات.

المصدر – دليل الكوكبة

افترض أن هناك شكلًا آخر من المادة يزود الكتلة اللازمة لتثبيت المجرات في مكانها. هذه المادة المراوغة تعمل كدعم هيكلي وخريطة طريق لتكوين النجوم الجديدة والمجرات والمزيد. ومن الجدير بالذكر أنه كان قادرًا على إثبات وجود الكتلة رياضيًا، لكن سيتطلب الأمر سنوات عديدة أخرى من البحث قبل أن يتمكن العلماء من إعادة إنشاء شذوذات المادة المظلمة بدقة وبشكل متسق وقابل للقياس.

كشف المادة المظلمة صعب

لقد ثبت أن كشف المادة المظلمة غير المرئية عملية تستغرق وقتًا طويلاً وتحديًا علميًا كبيرًا. القوة غير مرئية وحتى باستخدام أكثر الأدوات البصرية تقدمًا، لا يزال من الصعب تقريبًا اكتشافها. بدلاً من ذلك، الطريقة الوحيدة التي تمكن الباحثون من خلالها اكتشاف هذه القوة هي عبر تقلبات التأثيرات الجاذبية.

دراسة جديدة تحسن الكشف

الدراسة، “كشف الجدران المظلمة عبر تأثيرها على مسارات الجسيمات في بيئات فراغ فائقة عالية مخصصة”، تشرح طريقة جديدة لقياس وجود المادة المظلمة. النهج الجديد يقدم حجرة فراغ مطبوعة ثلاثية الأبعاد مصممة خصيصًا تسمح بتراكم المادة المظلمة وتصادمها، مما ينتج عنه تقلب جاذبي.

الحقول العددية

استخدم الباحثون الحقول العددية لضمان التقاطهم للتغييرات الدقيقة في المجال الجاذبي. تُستخدم الحقول العددية عادةً لحل وجمع البيانات من البيئات ثلاثية الأبعاد. تُعيّن هذه البروتوكولات الاختبارية كل نقطة في الفضاء برقم محدد. توفر الحقول العددية طريقة دقيقة ومتسقة لقياس التغييرات في المجالات عبر الفضاء.
الحقول العددية شائعة اليوم. تُستخدم لقياس تغيرات الحرارة، الجهد الكهربائي، الإشعاع، الضغط، والتغييرات الجاذبية. الطبيعة الديناميكية لهذا النوع من استعادة البيانات تمكّن الباحثين من الحصول على رؤى مفيدة حول البيئة المراقبة. يمكن جمع هذه البيانات بطريقة خطية أو غير خطية أو مقياسية.

اختبار

الدراسة التي استغرت ثلاث سنوات لإكمالها تُبرز كيف تُنشئ الحُجر المطبوعة ثلاثية الأبعاد ظاهرة تُعرف بجدران المجال. جدران المجال هي تراكمات طاقة تحدث عندما تحدث انتقالات مرحلة الحقول العددية. تؤثر جدران المجال على الجسيمات عندما تمر عبرها، مُغيّرةً مسارها ومُعدّلةً مسار طيرانها. يمكن قياس هذا الانحراف لتحديد وجود المادة المظلمة.
راقب الباحثون هذه الجدران المجال وجمعوا بياناتهم لإنشاء حجرة فراغ مطبوعة ثلاثية الأبعاد مثالية. دمج الجهاز شكلًا وبنية محددة لاحتجاز جسيمات المادة المظلمة. كما استخدم الباحثون موادًا خاصة ساعدت في عملية الاحتجاز.

خفض الكثافة بتخفيض الحرارة

أضاف الفريق عملية التفاعل عن طريق خفض درجة حرارة الجسيمات الخفيفة. وصف الباحثون هذه العملية بأنها مشابهة للماء الذي يصبح أبطأ ويتجمد مع انخفاض الحرارة. في هذا البحث، تم خلط الغاز منخفض الكثافة مع ذرات الليثيوم الفائقة البرودة.
كجزء من التجربة، تم تبريد هذه الذرات إلى -273 درجة. وضعت هذه الحرارة الذرات بالقرب من الصفر المطلق، مما مكنها من التفاعل بطريقة مستقرة مقارنةً بالدرجات العادية. هذه الخطوة حاكت جسيمًا يمر عبر مادة تزداد كثافتها على طول مساره.

النتائج

نجح الباحثون في قياس تقلبات موجات الجاذبية بنانو هرتز، وأشار وجودها إلى المادة المظلمة. قد يكون لهذه النتائج تأثير كبير على تصور العلماء لتطور الكون. الآن، يمكن استخدام عملية الاختبار لجمع مزيد من البيانات حول هذه الجسيمات المراوغة التي تشكل اللبنات الأساسية للمجرة.

الباحثون

أُجريت الدراسة في واحدة من أبرز الأكاديميات البحثية العلمية في أوروبا، كلية الفيزياء والفلك بجامعة نوتنغام. قاد الجهود البحثية البروفيسور كلير بوراج، بمساعدة الأستاذة المساعدة لوسيا هاكرمولر.

الفوائد التي تكشفها الدراسة

إن القدرة على اكتشاف المادة المظلمة باستخدام جدران المجال عبر حُجر فراغ مطبوعة تفتح عالمًا جديدًا من الفرص للباحثين ولمن يسعى لفهم أعمق لهذه القوة. تضع الدراسة الأساس للباحثين الذين يرغبون في قياس وتوقع تصرفات هذه القوة، بهدف يومًا ما فهم كيف تساعد في تكوين المجرات وتطور الكون.

دراسات أخرى عن المادة المظلمة تستحق الذكر

يستمر المجتمع العلمي في الابتكار واختراع طرق جديدة لمراقبة المادة المظلمة والطاقة. تمتد هذه الطرق عبر مجموعة متنوعة من العلوم، بما في ذلك القياس من الفضاء، وإنشاء أجهزة تتبع جسيمات الضوء الكبيرة للبحث عن التأثيرات الجاذبية، وأكثر من ذلك. إليكم بعض الجهود الأكثر فائدة التي تم تقديمها حتى الآن.

تلسكوب الفضاء إقليدس

أُطلق مؤخرًا تلسكوب الفضاء إقليدس الأوروبي من صاروخ فالكون 9 من فلوريدا للبحث عن المادة المظلمة. تم تسمية المشروع بـ “المحقق المظلم”، وصُمم للعمل مع تلسكوب جيمس ويب لمزيد من التحقيق في الشذوذات. على عكس تلسكوب جيمس ويب الذي يتمتع بتركيز دقيق مذهل، تم تصميم التلسكوب الصناعي الذي يبلغ ارتفاعه 15 قدمًا وعرضه 11 قدمًا لالتقاط مشاهد بانورامية ضخمة للكون.
سيمكن للجهاز التقاط أكبر صور المنظور لتاريخ الكون البالغ عمره 13.8 مليار سنة. يمكن للعلماء فحص هذه الصور لتتبع حركة الضوء عبر المجرة. ومن الجدير بالذكر أنهم يمكنهم بعد ذلك استخدام تشوه الضوء لتحديد الشذوذات الجاذبية التي تسببها المادة المظلمة. تُعرف هذه الظاهرة باسم العدسة الجاذبية وقد أسفرت عن بعض النتائج المثيرة.

سيرن

أحد أكثر المشاريع فائدة والأكثر شهرةً المستخدمة لمحاولة مراقبة وقياس وإنشاء المادة المظلمة يأتي من الباحثين في CERN. تأسس هذا المرفق البحثي الضخم في عام 1954. ومنذ ذلك الحين، لعب دورًا كبيرًا في المجتمع العلمي عبر قطاعات متعددة، بما في ذلك إنشاء بروتوكولات بحث لاكتشاف ومراقبة البروتوكولات عالية الطاقة.

هذا المركز البحثي القائم في جنيف عمل مع أ brightest وأكثر المشاريع ابتكارًا في السوق، ولا يمكن التقليل من إنجازاته. على سبيل المثال، أطلق تيم برنرز-لي شبكة الويب العالمية في عام 1989 من هذا المرفق الذي استضاف لاحقًا أول موقع إلكتروني في عام 1991. اليوم، يركز المرفق على مجموعة متنوعة من الأنشطة العلمية.

سيرن معروف بشكل أساسي بكونه موطن مصادم الهادرونات الكبير (LHC). هذا الجهاز هو أكبر وأقوى مصادم جسيمات في العالم. يمكن لهذا الجهاز أخذ حزم وإطلاقها بأقصى سرعة قبل تصادمها لتسجيل التأثيرات. تُستخدم هذه الطريقة الآن لقياس التأثيرات الجاذبية التي تسببها المادة المظلمة والتي قد تُسهم يومًا ما في إلقاء مزيد من الضوء على وجودها وتأثيراتها.

نجم نيوتروني

طريقة أخرى قدمها الباحثون لمراقبة وجود المادة المظلمة هي عبر قياس مستويات طاقة النجوم النيوترونية. باستخدام تلسكوب مخصص يُدعى مرصد آيسكوب للنيوترينوز في القطب الجنوبي بأنتاركتيكا، يمكن للباحثين مراقبة تراكم المادة المظلمة على هذه الأجرام السماوية.
ومن الجدير بالذكر أن العلماء يبحثون عن الجسيمات الناتجة التي تُنشأ عندما تتفاعل المادة المظلمة وتدمر نفسها. يحدث هذا عندما يتراكم المادة المظلمة على نجم نيوتروني. تتبع هذه الطريقة نواتج هذه التصادمات وتقيس تقلباتها مع مرور الوقت، مُنشئةً خريطة لهذه الطاقة أثناء انتقالها.

الشركات التي قد تستفيد من هذه الاكتشافات

إن القدرة على اكتشاف المادة المظلمة يومًا ما واستغلالها كانت هدفًا طويل الأمد للعلماء والباحثين. ستسهل هذه التطورات الأخيرة دراسة هذا العنصر المراوغ بعمق والبدء في فك ألغازه. لتحقيق هذه المهمة، سيزداد الطلب على المركبات الفضائية ومرافق الاختبار المتقدمة. إليكم شركتين في وضعية الاستفادة من هذه التطورات في المستقبل.

1. SpaceX

أسس الملياردير الغريب إيلون ماسك شركة SpaceX في 14 مارس 2002. هذه الشركة التي تتخذ من إل سغوندو، كاليفورنيا مقرًا لها أُطلقت تحت اسم مختلف “شركة تقنيات استكشاف الفضاء” (SET) قبل أن تعيد تسميتها إلى اسم SpaceX (SPCX ) الأكثر جاذبية في السوق. ومن الجدير بالذكر أن ماسك وضع 50٪ من أسهمه في باي بال التي كانت قيمتها آنذاك 180 مليون دولار لضمان المشروع. تم توجيه هذه الأموال لتأمين الباحثين اللازمين لإطلاق صاروخهم الأول.
تُقود SpaceX اليوم قطاع الفضاء التجاري. لا تزال الشركة أول شركة ممولة من القطاع الخاص تُرسل مركبة إلى محطة الفضاء الدولية. كما أنها أول من هبط صاروخًا على القمر، وأطلقت أقوى صاروخ، وتُعد الشركة الوحيدة التي هبطت صاروخًا قابلًا لإعادة الاستخدام بنجاح.

2. Teledyne Technologies Inc.

TDY مخطط السعر

تعد Teledyne Technologies (TDY ) Inc. مورّدًا رائدًا لمواد الفضاء. تقدم الشركة مجموعة من المكونات الإلكترونية المتقدمة عالية الجودة، والأدوات، ومنتجات الاتصالات. دخلت Teledyne Tech السوق في عام 1999 وكانت في الأصل تتألف من تكتل يضم 19 شركة. اليوم، تشمل Teledyne Technologies, Inc. أكثر من 100 شركة على مستوى العالم.

قد تشهد Teledyne Technologies Inc. أرباحًا كبيرة نتيجة السعي لزيادة عدد المستشعرات في الفضاء. الشركة هي مزود رئيسي للألمنيوم من فئة الفضاء وأنظمة أخرى حيوية لإنجاز هذه المهمات. هناك عدة أقمار صناعية تستفيد حاليًا من منتجات الشركة.

سهم Teledyne Technologies Inc. (TDY) شهد عوائد ثابتة بنسبة 6.56٪. تموضع الشركة والنمو المتوقع في الأنشطة المتعلقة بالفضاء يجعل هذه الأصول “شراء” قويًا. في الأسابيع القادمة، ستستمر Teledyne Technologies, Inc. في لعب دور محوري في سوق الفضاء المتنامي.

مستقبل دراسات المادة المظلمة

مستقبل أبحاث المادة المظلمة واعد. سيؤدي إدخال الروبوتات والذكاء الاصطناعي إلى رفعها إلى آفاق جديدة وتمكين الباحثين من، للمرة الأولى، البدء في تتبع ومراقبة هذه المادة بشكل مستمر. سيساعد إدخال الروبوتات الفضائية المدعومة بالذكاء الاصطناعي في تقريب البشر من هذه الإجابات المراوغة دون تعريض حياة الإنسان للخطر.
بالإضافة إلى ذلك، سيُركز المزيد من الجهود على إنشاء المادة المظلمة في المختبرات. سيلعب الـ LHC دورًا محوريًا في هذه العملية باعتباره أكبر مسرع للجسيمات مع حساسات حساسة بما يكفي لالتقاط التقلبات الدقيقة التي تسببها المادة المظلمة.

قياس المادة المظلمة هو الخطوة الأولى

تستمر التطورات التي تم تحقيقها في قياس المادة المظلمة في المساعدة على كشف خصائص هذه القوة التي لم تُفهم بعد. في المستقبل، سيُربط الباحثون البيانات ذات الصلة ويستفيدون من التعلم العميق المتقدم للذكاء الاصطناعي لإجراء ارتباطات قد تبدو غير محتملة للقراء البشريين. جميع هذه التطورات وأكثر ستؤدي إلى جعل المادة المظلمة أكثر شفافية في المستقبل.

يمكنك معرفة المزيد عن المشاريع الفضائية المثيرة هنا.