مكشاف الفضاء ليزا سيستمع إلى ثنائي المادة المظلمة
تخيّل محيطًا غير مرئي من جسيمات فائقة الخفة يملأ الكون. يمكن لهذه المادة المظلمة أن تسبب تموجات طفيفة في نسيج الزمكان ذاته، وقد اكتشف العلماء أن مكشاف الفضاء المستقبلي LISA سيكون قادرًا على التقاط مثل هذه التموجات، خصوصًا في نطاقات ترددية لا تصل إليها الأجهزة الأرضية. ربما، في صمت الفضاء، سنسمع همس المادة المظلمة؟
المادة المظلمة هي واحدة من أعظم ألغاز الفيزياء. فهي لا تُصدر ضوءًا، لكن جاذبيتها تمنع المجرات من التشتت. أول من توقع وجودها هو فريتز زويكي، وأثبتتها أرصاد فيرا روبن بشكل قاطع. واليوم، يعتقد العلماء أن المادة المظلمة قد تتكون من جسيمات فائقة الخفة، أخف من الإلكترون بمليارات المليارات من المرات. وإذا صح ذلك، فإن هذه الجسيمات لا تسلك سلوك الكرات المنفردة، بل تتصرف كأمواج تملأ الفضاء. وهنا يظهر مكشاف الفضاء المستقبلي ليزا على المسرح. تخيّل بركة هادئة، يمر فوق سطحها نسيم رقيق. واثنتان من أوراق الشجر تطوفان على الماء تتحركان قليلًا، إحداهما بالنسبة للأخرى. يعمل ليزا بطريقة مشابهة: ثلاثة أقمار صناعية تحلق في مدار حول الشمس، على مسافات هائلة من بعضها، ويقيس الليزر باستمرار المسافة بينها. أي موجة مارّة من المادة المظلمة تُزيح قليلًا 'الكتل الاختبارية' الطليقة داخل الأقمار – فيلتقط ليزا هذا الاهتزاز على هيئة أمواج ثقالية. ولكن على عكس الاندماجات الهائلة للثقوب السوداء، فإن هذه الإشارات ضعيفة للغاية وتحتاج إلى سكون فضائي.
أجرى العلماء في دراسة جديدة محاكاة حاسوبية للتحقق مما إذا كان ليزا يستطيع سماع 'موسيقى' المادة المظلمة هذه. واكتشفوا أمرًا مدهشًا: إذا تفاعلت المادة المظلمة مع المادة العادية عبر ارتباط 'تربيعي' (أي يتزايد تأثيرها بقوة مع ازدياد المجال)، فإن الإشارة تنقسم إلى نغمتين. الأولى سريعة ونقية: تذبذبات بتردد يساوي ضعف كتلة الجسيم الموجي. والثانية دوي بطيء: تقلبات عشوائية بترددات منخفضة. وهذا يشبه صوت آلة موسيقية واحدة تعزف فجأة على طبقتين صوتيتين معًا – نغمة عالية ودوي منخفض. والأهم من ذلك: في الفضاء المفتوح، بعيدًا عن الأرض، لا تُخمد التشويشات هذا الثنائي. فالأرض بالنسبة لهذه الإشارات كوسادة كثيفة تكتم الصوت. والكاشفات الأرضية مثل لايغو لا تسمع ذلك. أما ليزا فحساسيته أعلى بكثير.
لماذا هذا مهم؟ المادة المظلمة لا تتناسب مع النموذج القياسي – أفضل نظرية لدينا عن الجسيمات والقوى. اكتشاف خصائصها سيقلب الفيزياء رأسًا على عقب. ربما تتكون من أكسيونات – جسيمات افتراضية تحل في الوقت نفسه لغزًا آخر. كما أن البحث عن هذه الإشارات يكشف طبيعة الجاذبية: فكما بيّن ألبرت أينشتاين، فإن أي كتلة تُحدِث انحناءً في الزمكان وتُغير حتى من إيقاع الساعات، مما يُسبّب تمددًا زمنيًا. وتُحدث حركة المصدر انزياحًا نحو الأحمر، فتُمطّط الموجة قليلًا. يبحث الفلكيون أصلًا عن آثار الأمواج الثقالية عبر النجوم النابضة، لكن ليزا سيمنحنا أداة جديدة لا تُضاهى في دقتها. فالأمر أشبه بالانتقال من ثقب المفتاح إلى نافذة واسعة على الكون.
🎯 بسبب الارتباط التربيعي، ستبدو المادة المظلمة لـ LISA وكأنها ثنائي هادئ: نغمة عالية ودوي منخفض. يتمتع المكشاف الفضائي 'بسمع' شديد الحساسية بحيث يميز هذا الهمس عبر ضجيج النجوم.