في الفلك وفهم الكون الفيزيائي، المادة المظلمة أوالمادة السوداء dark matter، هي مادة افترضت لتفسير جزء كبير من مجموع كتلة الكون. لايمكن رؤية المادة المظلمة بشكل مباشر باستخدام التلسكوبات، حيث من الواضح أنها لا تبعث ولاتمتص الضوء أوأي إشعاع كهرومغناطيسي آخر على أي مستوى هام. عوضاً عن ذلك، يستدل على وجود المادة المظلمة وعلى خصائصها من آثار الجاذبية التي تمارسها على المادة المرئية، والإشعاع، والبنية الكبيرة للكون. يقدر حتى تشكل المادة المظلمة 84% من المادة في الكون، و23% من الكتلة والطاقة.

أتت المادة المظلمة إلى اهتمام فهماء الفيزياء الفلكية نتيجة التباين بين كتلة الأجسام الفلكية المحددة من آثار الجاذبية الخاصة بهم، وتلك المحسوبة من "المادة المضيئة" التي تحويها هذه الأجسام مثل النجوم والغاز والغبار. افترض Jan Oort المادة المظلمة لأول مرة عام 1932 لحساب السرعات المدارية للنجوم في مجرة درب التبانة، وافترضها فريتز زفيكي للحصول على مرشد حول "الكتلة المفقودة" للسرعات المدارية للمجرات في عناقيد المجرات. لاحقاً، أشارت بعض الملاحظات إلى وجود المادة المظلمة في الكون، بما في ذلك سرعة دوران المجرات حول نفسها، وتشكل عدسات الجاذبية من الأجسام الخلفية من قبل عناقيد المجرات، مثل عنقود الرصاصة، وتوزيع الحرارة للغازات الساخنة في المجرات وعناقيد المجرات. وفقاً لتوافق الآراء بين فهماء الكون، تتكون المادة المظلمة بشكل أساسي من نوع من الجسيمات الدون الذرية جديدة وغير محددة بعد. اليوم يعد البحث عن هذه الجسيمات بشتى الوسائل هوأحد الجهود الأساسية في فيزياء الجسيمات.

بالرغم من قبول المجتمع الفهمي السائد عموماً لوجود المادة المظلمة، اقترحت الكثير من الظريات البديلة لشرح الشذوذ الذي من أجله افترضت المادة المظلمة.

نظرة عامة

يستدل على وجود المادة المظلمة من آثار الجاذبية التي تمارسها على المادة المرئية وتشكل عدسات الجاذبية لإشعاع الخلفية، وافترضت أساساً لتفسير التباين بين كتلة المجرات وعناقيد المجرات المحسوبة بطرق الديناميكا والنسبية العامة، وبين تلك المحسوبة اعتماداً على كتلة المادة المرئية "المضيئة" التي تحويها المجرات وعناقيد المجرات مثل النجوم والغاز والغبار للوسط البين نجمي والوسط بين المجرات.

التفسير الأكثر قبولاً لهذه الظواهر، هوحتى المادة المظلمة موجودة وتتكون على الأرجح من جسيمات ثقيلة تتفاعل من خلال الجاذبية وربما القوة النووية الضعيفة. على أية حال، اقترحت تفسيرات بديلة، ولا يوجد حتى الآن أدلة تجريبية كافية لتحديد أي من هذه التفسيرات هوالسليم، وتجرى حالياً الكثير من التجارب لتحديد جسيمات المادة المظلمة المقترحة من خلال وسائل غير مرتبطة بالجاذبية.

وفقاً لملاحظات البنى الأكبر من النظام الشمسي بالإضافة إلى الانفجار العظيم بموجب معادلات فريدمان وإحداثيات روبرتسون-ووكر، تشكل المادة المظلمة 23% من متحوى كتلة وطاقة الكون المنظور لقاء 4.6% للمادة العادية، وتعزى النسبة الباقية إلى الطاقة المظلمة. وفقاً لهذه الأرقام، تشكل المادة المظلمة 83%، (23/(23+4.6))، من المادة في الكون، في حين تشكل المادة العادية نسبة 17% فقط.

تلعب المادة المظلمة دوراً مركزياً في نمذجة تشكل البنية وتشكل وتطور المجرات، ولها تأثيرات قابلة للقياس على عدم توحد الخواص الملاحظ في الخلفية الميكرونية الكونية. جميع هذه الدلائل تقترح حتى المجرات، وعناقيد المجرات، والكون ككل تحتوي مادة أكثر بكثير من تلك التي تتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي.

باعتقاد أهمية وجود المادة المظلمة في الكون، الدلائل المباشرة لوجودها والفهم الملموس لطبيعتها تظل بعيدة المنال. بالرغم من بقاء نظرية المادة المظلمة الأكثر قبولاً لشرح الشذوذ الملاحظ في الدوران المجري، طورت بعض الطرق النظرية البديلة والتي تدخل على نطاق واسع في قوانين الجاذبية المعدلة وقوانين الجاذبية الكمية.

دور المادة المظلمة

لعبت المادة المظلمة دوراً أساسياً في تخليق النجوم في البدايات الأولى من الكون، إذا كانت المادة المظلمة على هذه الحالة، على أية حال، يجب حتى يشتمل المادة المظلمة على الجزيئات المعروفة بـ"النيوترونات العقيمة". قام بيتر بيرمان من معهد ماكس بلانك لعلوم الفلك الإشعاعي في بون، وألكسندر كوسينكو، من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجليس، باظهار أنه عندما تضمحل النيوترونات العقيمة، فإنها تسرّع عملية خلق جزيئات الهيدروجين، هذه العملية ساعدت على إضاءة النجوم الأولى فقط منذ حوالي 20 إلى 100 مليار سنة بعد الانفجار الكبير، جميع هذه المعطيات تعطينا تفسيراً بسيطاً لبعض الملاحظات المحيرة الأخرى التي تتعلق بالمادة المظلمة، النيوترونات العقيمة، والمادة المضادة.

اكتشف الفهماء بأن تلك النيوترونات لها كتلة خلال تجارب قياس ذبذبة النيوترونات. هذا قاد إلى افتراضات بإن النيوترونات العقيمة الموجودة - هي كذلك معروفة أيضا بالنيوترونات اليمينية، وبأنها لا تشارك في التفاعلات الضعيفة مباشرة، ولكنها تتفاعل من خلال خلطها مع النيوترونات العادية.إن العدد الكلي للنيوترونات العقيمة غير واضح، إذا كانت كتلة المادة المظلمة نعادل بضعة كيلوإلكترونوفولتز (1 KeV تعادل مليون كتلة ذرة الهيدروجين)، فإنها توضح ضخامة الكتلة المفقودة في الكون، أحيانا، تسمى المادة المظلمة، ودعمت ملاحظات الفلكيين الفيزيائيين وجهة نظر باحتمال بأن المادة المظلمة تشتمل على النيوترونات العقيمة.

المادة المظلمة الباريونية والغير باريونية

من الممكن لنسبة صغيرة من المادة المظلمة حتى تكون مادة مظلمة باريونية: الأجسام الفلكية مثل هالة الأجسام الثقيلة المدمجة المؤلفة من مادة عادية تبعث القليل أولاتبعث على الإطلاق أي اشعاع كهرومغناطيسي، ويشير التوافق مع المشاهدات الأخرى إلى عدم إمكانية الغالبية العظمى من المادة المظلمة الموجودة في الكون لأن تكون مادة مظلمة باريونية أي أنها غير معضلة من الذرات ولا يمكنها التآثر مع المادة العادية عبر القوى الكهرومغناطيسية ولا تحمل جسيماتها أي شحنة كهربائية، وتتضمن المادة المظلمة الغير باريونية النيوترينوهات مع إمكانية وجود جسيمات افتراضية مثل الأكسيومز أوالجسيمات فائقة التناظر، وعلى عكس المادة المظلمة الباريونية، لاتساهم المادة المظلمة غير الباريونية في تشكيل العناصر في بداية الكون "الاصطناع النووي للانفجار العظيم" وبالتالي يتم الكشف عن وجودها فقط من خلال تجاذبها الثنطقي، بالإضافة إلى ذلك، لوكانت الجسيمات المؤلفة للمادة المظلمة غير الباريونية فائقة التناظر فإنها من الممكن حتى تخضع لتفاعلات الإفناء مع نفسها مما يؤدي إلى ملاحظتها من النواتج الفرعية مثل الفوتونات والنيوترينوهات "كشف غير مباشر".

تصنف المادة المظلمة غير الباريونية من حيث كتلة الجسيمات المفترضة لتشكيلها و/أوالسرعة النموذجية لانتشار تلك الجسيمات (حيث حتى الجسيمات الأثقل تكون أبطأ). هناك ثلاثة افتراضات بارزة للمادة المظلمة الغير باريونية وهي المادة المظلمة الساخنة والدافئة والباردة مع إمكانية المزج بينهم. النموذج الأكثر مناقشة للمادة المظلمة الغير باريونية مبني على فرض المادة المظلمة الباردة ويفترض الجسيم المرتبط به ليكون في الغالب جسيم ثقيل ضعيف التآثر. من الممكن للمادة المظلمة الساخنة حتى تتألف من النيوترينوهات الثقيلة. تؤدي المادة المظلمة الباردة إلى تشكيل "قاعدي-علوي" لبنية الكون والمادة المظلمة الساخنة إلى تشكيل "قمي-سفلي" لنفس البنية.

كيف يستدلّ الفهماء على وجود المادة المظلمة ويستطيعون حساب نسبتها في الكون رغم أننا لا نراها؟

رغم أنّ المادة المظلمة لا تتفاعل مع الضوء إلا أنها لها كتلة وبالتالي تؤثر بجاذبيتها على باقي الأجسام، فوجود المادة المظلمة يؤثر على مدارات النجوم والكواكب، ويعتقد الفهماء حتى جاذبية المادة المظلمة لعبت دورًا في تخليق النجوم الأولى في بداية الكون، وأنها تتكون من جسيمات تحت ذرية لكننا لا نفهم بعد أيًّا من خصائصها، ولم يتمّ التأكّد تجريبيًّا من وجودها، وأطلقوا على هذه الجسيمات تحت الذرية اسم “النيوترونات العقيمة”.

نظرية بيرمان وكوسينكو

.

تسلط نظرية بيرمان وكوسينكوالضوء على عدد من الألغاز الفلكية الغير مفسرة، أولا، وأثناء الانفجار الكبير، كانت كتلة النيوترونات المخلوقة في الانفجار الكبير تساوي ما نحتاجه لتفسير المادة المظلمة، ثانياً، هذه الجسيمات يمكن حتى تكون الحل لمشكلة كبيرة حول لما تتحرك البولسرات بسرعة كبيرة.

البولسرات هي نجوم نيوترونية تدور بسرعة عالية جداً، ونشأت نتيجة لانفجار مستعر فائق (سوبرنوفا) وتكون عادة مقذوفة في اتجاه واحد. الانفجار أعطاها " دفعاً قويا"، مثل محرك صاروخ. مما يجعل البولسرات تسير بسرعات كبيرة تصل إلى مئات الكيلومترات في الثانية - وأحياناً إلى الآلاف. مصدر هذه السرعات تظل مجهولة، لكن إشعاع النيوترونات العقيمة توضح تحركات البولسرات.

يحتوي سديم القيثارة على بولسرات سريعة جداً، إذا كانت المادة المظلمة صنعت جزيئات مؤينة في الكون - كما يقترح بيرمان وكوسينكو- بأن حركة البولسرات هي التي أنشأت سديم القيثارة.

كما ان النيوترونات العقيمة يمكن حتى تساعد على توضيح انعدام المادة المضادة في الكون. في بدايات الكون الأولى، كانت النيوترونات العقيمة "تسرق" ما يعهد بــ" ترقيمات ليبتون" من البلازما. وفي وقت لاحق، أدت قلة ترقيمات ليبتون إلى تحويلها إلى عدد غير صفري من الترقيمات البريونية. اللاتناظر الناتج بين البريونات (مثل البروتون) والبريونات المضادة (مثل البروتون المضاد) يمكن حتىقد يكون السبب حول عدم وجود مادة مضادة في الكون.

فتشكيلة الثقوب السوداء المركزية في المجرة، بالإضافة إلى الهجريب القياسي للمجرات الفرعية، تعطي تفسيراً مفضلا حول النيوترونات العقيمة في المادة المظلمة. والإجماع على آراء متعددة معقدة يقود إلى اتجاه واحد باعتقاد حتى المادة المظلمة، في الحقيقة، هي نيوترونات عقيمة.

أدلة رصدية

منحنيات دوران المجرة

تبدد سرعة المجرات

العناقيد المجرة وعدسة الجاذبية

خلفية الموجات الكونية الصغرى

مسوحات السماء والتذبذبات الصوتية الباريونية

قياسات المسافعة في المستعر الأعظم النوع أ

غابة ليمان-ألفا

تشكل البنية

تاريخ البحث عن تكوينها

بعد ثورة كوبرنيكوس ونسبية أينشتاين عثر الفهماء أنفسهم أمام مشهد حديث في مسيرة العلوم، إذ حتى المادة "العادية" (التي تشكل جميع شيء وتدخل في هجريبة البشر وجميع الكائنات الحية) ما هي إلا نسبة بسيطة من الكتلة الكلية للكون فهناك عنصر أخر يدخل في هجريبته، وهوعنصر غير معروف ولا يصدر عنه ضوء، وكانت هناك آثار يمكن تتبعها ولكن ليس هناك ما يمكن رؤيته.. وقبل أكثر من 60 سنة تنبه الفلكيون إلى حتى النجوم في مجرة درب التبانة تدور حول مركز المجرة بسرعة أكبر مما تتسقطه النظريات والحسابات الفلكية، وبما حتى سرعة النجوم تعتمد على الجاذبية الناتجة عن كتلة المجرة ككل، فقد توصل الفزيائيون إلى نتيجة تقول بوجود كمية مادة أكبر من المادة المرئية لنا. تمت مراقبة نفس الأمر على مستويات أكبر؛ فالمجرات تدور حول مركز مجموعتها بسرعة أكبر من المتسقط. " قوانين الفيزياء تحدد وبدقة متناهية كما من المادة يجب حتى يوجد حتى يتم التوازن بين تحركات الأجرام والمجرات، اكتشاف حتى الكتلة الكلية للكون المرئي هي أدنى من الرقم الذي تم حسابه أمر محير، ". فالمادة الغامضة لا تصدر ما يمكن من رصده حتى بواسطة أدوات رصد الأشعة الكهرومغناطيسية مثل أشعة جاما أوأشعة إكس أوالأشعة تحت الحمراء، فلا يمكن فهم تكوينها لأنه لاتوجد أية كيفية تمكن من ذلك مع اختفائها الكامل عن جميع أجهزة الرصد.

المادة المظلمة الباردة

المادة المظلمة الدافئة

المادة المظلمة الساخنة

المادة المظلمة المتنوعة

الكشف

تجارب كشف مباشرة

تجارب كشف غير مباشرة

نظريات بديلة

قوانين الجاذبية المعدلة

الثقافة العامة

انظر أيضاً

المصادر

قراءات إضافية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Dark matter.

• Albercht, A. (2006). "Report of the Dark Energy Task Force" (PDF). Fermilab. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
• Aprile, E.; Profumo, S. (2009). "Focus on Dark Matter and Particle Physics". New Journal of Physics. 11 (10): 105002. Bibcode:2009NJPh...11j5002A. doi:10.1088/1367-2630/11/10/105002.
• Brainerd, Tereasa (2011). "How are Bright Galaxies Embedded within their Dark Matter Halos?". Astronomical Review. Astronomical Review. 6 (7). Retrieved 10-11-2012. Unknown parameter |month= ignored (help); Check date values in: |accessdate= (help)
• Bertone, G. (2010). Particle Dark Matter: Observations, Models and Searches. Cambridge University Press. p. 762. ISBN .
• Fornengo, N. (2008). "Status and perspectives of indirect and direct dark matter searches". Advances in Space Research. 41 (12): 2010–2018. arXiv:astro-ph/0612786. Bibcode:2008AdSpR..41.2010F. doi:10.1016/j.asr.2007.02.067.

وصلات خارجية

• What is dark matter? at cosmosmagazine.com
• The Dark Matter Crisis
• The European astroparticle physics network
• Helmholtz Alliance for Astroparticle Physics
• A nice animation about dark matter
• مادة مظلمة at the Open Directory Project
• "NASA Finds Direct Proof of Dark Matter" (Press release). NASA. 2006-08-21.
• Tuttle, Kelen (August 22, 2006). "Dark Matter Observed". SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) Today.
• "Astronomers claim first 'dark galaxy' find". New Scientist. 2005-02-23.
• Wikinews:Dark matter galaxy discovered
• Sample, Ian (2009-12-17). "Dark Matter Detected". London: Guardian. Retrieved 2010-05-01.
• Multimessenger Approach for Dark Matter Detection. Spanish Project of the Consolider-Ingenio 2010 Programme.
• Video lecture on dark matter by Scott Tremaine, IAS professor
• Science Daily story "Astronomers' Doubts About the Dark Side ..."