بزرگ‌ترین قمر منظومه شمسی می‌تواند آشکارساز ماده تاریک باشد

مشکل اینجاست که نامزدهای زیادی برای ماده تاریک وجود دارند؛ از «آکسیون‌ها» و ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) گرفته تا «نوترینوهای استریل» و «سیاه‌چاله‌های نخستین». دانشمندان روش‌ها و آزمایش‌هایی برای آشکارسازی بسیاری از این نامزدها ارائه داده‌اند، اما تاکنون نتوانسته‌اند هیچ ذره‌ی محتملی از ماده‌ی تاریک یا فرآورده‌های جانبی آن را آشکار کنند.

تشخیص نامزدهای بزرگتر ماده تاریک، مانند سیاه‌چاله‌های نخستین یا سالیتون‌ها و استرنجلت‌ها و موارد دیگر، به‌طور ویژه دشوار است. مقاله جدید این‌گونه توضیح می‌دهد:

در حالی که بخش عمده‌ی توجه‌ها بر جستجوی ذرات جدیدی با برهم‌کنش‌های ذاتی ضعیف متمرکز شده است، یک الگوی جایگزین، با عنوان ماده تاریک ماکروسکوپی، پیشنهاد می‌دهد که ماده‌ی تاریک ممکن است در عوض از اجرام ماکروسکوپی پرجرم تشکیل شده باشد که چگالی عددی بسیار پایینی دارند و به همین دلیل از آشکارسازی‌های کنونی می‌گریزند.

اگر ماده تاریک کمتر اما بزرگ‌تر باشد، ممکن است به آشکارسازی بسیار عظیم‌تر، مانند سیاره یا قمر، نیاز داشته باشیم. ویلیام دروکو، پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه مریلند، در مقاله جدید پیشنهاد می‌دهد که شاید همین حالا آشکارسازی ایده‌آل در مدار مشتری داشته باشیم: گانیمد، بزرگ‌ترین قمر در منظومه‌ی شمسی.

دانشمندان با انجام برخی آزمایش‌ها، بازه‌های جرمی احتمالی برای نامزدهای ماده تاریک را رد کرده‌اند. بااین‌حال، بازه‌های جرمی دیگری وجود دارند که هنوز بررسی نشده‌اند. دِروکو توضیح می‌دهد:

یک فضای پارامتر باز بزرگ برای چنین نامزدهای ماده تاریک در محدوده‌ی ۱۰¹² تا ۱۰²² گرم و چگالی‌هایی از مقیاس اتمی (۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب) تا مقیاس هسته‌ای (۱۰¹⁴ گرم بر سانتی‌متر مکعب) باقی می‌ماند. بررسی این فضای پارامتری دشوار است، زیرا جرم بالا به معنای چگالی عددی بسیار پایین در کهکشان است؛ برای مثال، تنها یک ذره ماده‌ی تاریک با جرم ۱۰¹⁴ گرم، تقریباً هر ۱۰⁵ سال یک‌بار از زمین عبور می‌کند. در نتیجه، هر تلاشی برای جستجوی چنین ماده تاریکی به آشکارسازهای عظیم با زمان یکپارچه‌سازی طولانی نیاز دارد.

ممکن است قمر یخی گانیمد که از عطارد هم بزرگ‌تر است و در طول ۲ میلیارد سال گذشته تغییر چندانی نکرده، برای این کار مناسب باشد. نکته‌ی حیاتی این است که به دلیل لایه‌های زیرسطحی تفکیک‌شده از نظر ترکیب، برخورد ماده تاریک با این قمر می‌تواند مواد زیرسطحی عمیقی را آزاد کند که برخوردهای معمولی قادر به انجامش نیستند و این امر، نشانه‌ای حیاتی برای تمایز تعاملات ماده تاریک از برخوردهای متعارف فراهم می‌کند.

اگر نامزدهای ماده تاریک ماکروسکوپی به گانیمد برخورد کرده باشند، باید بتوانیم نشانه‌های آن را ببینیم. براساس پژوهش دِروکو، دو مأموریت پیش‌رو، یعنی کاوشگر اقمار یخی مشتری (جوس) و اروپا کلیپر، می‌توانند با تصویربردارهای طیفی بسیار دقیق خود چنین نشانه‌هایی را آشکار کنند. دِروکو می‌افزاید:

دهانه‌های کوچک (کمتر از ۱۰ کیلومتر) با حجم غیرعادی بالای مواد ذوب‌شده اهمیت ویژه‌ای دارند که ترکیبی به‌طور چشمگیر متفاوت از مناطق اطراف نشان می‌دهند، چرا که توضیح چنین ویژگی‌هایی با برخوردهای متعارف دشوار است.

دروکو در مدل‌سازی خود بر برخوردهای عمودی تمرکز کرد تا کار ساده‌تر شود، اما پیشنهاد می‌دهد که برخوردهای کم‌عمق‌تر می‌توانند حتی برای این فضاپیماها آشکارتر باشند.

اگرچه مطالعه‌ی اخیر جالب است، روی ماده تاریک ماکروسکوپی تمرکز دارد؛ موضوعی که در حال حاضر در میان فیزیکدانان به اندازه‌ی نامزدهای سبک و فوق‌سبک ماده تاریک محبوب نیست. بررسی دقیق‌تر گانیمد ممکن است به ما در یافتن شواهدی از چنین نامزدی کمک یا دست‌کم جستجوی ما را محدودتر کند.

حتی اگر نتایج قطعی نباشند یا هیچ نشانه‌ای پیدا نشود، فضاپیماهای مشتری همچنان مکان‌هایی برای بررسی دیگر نامزدها خواهند داشت؛ خود مشتری نیز به‌عنوان یک آشکارساز بالقوه ماده‌ی تاریک پیشنهاد شده است.

یافته‌های پژوهش در پایگاه پیش‌انتشار آرکایو منتشر شده است.