ساخت دوربینی برای شکار ماده تاریک

جرعه ای ازجهان دانش

بهارسادات موسوی

[گزارش ازپژوهش های تازه]

دانشمندان در حال ساخت دوربینی برای شکار ماده تاریک نامرئی هستند که تابستان ۲۰۲۴ را برای راه‌اندازی نمونه اولیه این دستگاه در نظر گرفته‌اند. فیزیکدانان در حال توسعه فناوری «تله دوربینی» برای شکار ماده تاریک گریزان هستند.

ماده تاریک(Dark Matter) گونه‌ای از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان‌شناسی ارائه شده‌ است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده‌ شده در جهان بیشتر است.

ماده تاریک به‌ طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست و از این جهت «تاریک» نامیده می‌شود که ظاهراً هیچ کنشی با میدان الکترومغناطیسی ندارد، به این معنی که تشعشعات الکترومغناطیسی مانند نور از خود منتشر نمی‌کند، آن را بازتاب نمی‌دهد و جذب نیز نمی‌کند. بنابراین قابل دیدن نیست. به بیان دیگر، ماده تاریک ماده‌ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی‌دهد. در عوض، وجود و ویژگی‌های ماده تاریک را می‌توان به‌ طور غیر مستقیم و از طریق تأثیرات گرانشی آن بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت.

طبق داده‌های به دست آمده در سال ۲۰۱۳ و بر پایه مدل استاندارد کیهان‌شناسی، کل جرم — انرژی موجود در جهان شناخته‌ شده شامل ۴٫۹ درصد ماده معمولی، ۲۶٫۸ درصد ماده تاریک و ۶۸٫۳ درصد انرژی تاریک است. یعنی ماده تاریک ۲۶٫۸ درصد کل ماده موجود در گیتی را تشکیل می‌دهد و انرژی تاریک و ماده تاریک روی هم رفته ۹۵٫۱ درصد از کل محتویات جهان را تشکیل می‌دهند.

اکنون آشوتوش کوتوال فیزیکدان دانشگاه دوک و تیمش در حال کار بر روی یک دستگاه سیلیکونی هستند که به عنوان یک «تله دوربین»(camera trap) عمل می‌کند و سرنخ‌هایی از ماده تاریک را به دست می‌آورد.

هسته این تراشه یک الگوریتم پیشرفته خواهد بود که قادر است به سرعت مقادیر زیادی از داده‌های بصری تولید شده توسط «برخورد دهنده بزرگ هادرونی» را غربال کند.

«برخورد دهنده بزرگ هادرونی»(Large Hadron Collider) یک شتاب دهنده عظیم ذرات است که در ۳۵۰ فوت زیر زمین در مرز بین فرانسه و سوئیس قرار دارد.

کوتوال می‌گوید: وظیفه ما این است که اطمینان حاصل کنیم که اگر تولید ماده تاریک اتفاق بیفتد، فناوری ما برای به دست آوردن آن در عمل ناتوان نباشد.

در برخورد دهنده بزرگ هادرونی، پروتون‌ها قبل از برخورد با نیرویی غیر قابل تصور، تقریباً به سرعت نور شتاب می‌گیرند. این شرایط، مه‌بانگ را بازسازی می‌کند.
پیامد این برخوردها نمایش خیره کننده ذرات زیراتمی است. اما در میان این هرج و مرج، دانشمندان بر این باورند که ممکن است سرنخ‌هایی در مورد ماده تاریک نیز وجود داشته باشد.

گفتنی است که مقدار ماده تاریک پنج برابر مواد مرئی است. ماده تاریک نامرئی است، اما کشش گرانشی آن کهکشان‌ها را شکل می‌دهد. دانشمندان می‌دانند که ماده تاریک وجود دارد، اما نمی‌دانند دقیقا چیست.

در بیانیه مطبوعاتی محققان توضیح داده شده است: ما در تاسیسات برخورد دهنده بزرگ هادرونی با استفاده از آشکارسازهایی که مانند دوربین‌های دیجیتال سه‌بعدی غول‌پیکر عمل می‌کنند، به دنبال ماده تاریک و دیگر اسرار هستیم و از افشانه ذرات تولید شده در هر برخورد پروتون — پروتون عکس‌های فوری می‌گیریم.

ماده تاریک برای آشکارسازها نامرئی است، اما وجود آن ممکن است از رفتار ذرات دیگر استنباط شود.

دانشمندان فرض می‌کنند که ناپدید شدن ذرات باردار سنگین ممکن است به آن ها اجازه دهد تا حضور ماده تاریک را تشخیص دهند. پس از یک برخورد، این ذرات سنگین قبل از ناپدید شدن بدون هیچ ردی در فاصله حدود ۱۰ اینچی حرکت می‌کنند و احتمالاً به ماده تاریک تبدیل می‌شوند.

مسیرهای ذرات یک «مسیر ناپدید شدن» منحصر به فرد را داخل آشکارساز تشکیل می‌دهند، اما شناسایی این الگوهای گریزان نیازمند تشخیص سریع است و چالش در این راه بسیار زیاد است. در هر ثانیه، میلیون‌ها تصویر تولید می‌شود و تنها بخش کوچکی از آن ممکن است حاوی شواهدی از ماده تاریک باشد.

کوتوال می‌گوید: اغلب این تصاویر دارای نشانه خاصی نیستند که ما به دنبال آن هستیم. شاید یک در میلیون یکی از آن ها دارای نشانه‌ای باشد که ما می‌خواهیم شناسایی کنیم.

گفتنی است ؛ تنهایک میلیونیم ثانیه برای شناسایی ماده تاریک در این واکنش‌ها فرصت است.

کوتوال افزود: برای انجام این کار در یک لحظه، ماه‌های متوالی نیاز به یک تکنیک تشخیص تصویر است که بتواند حداقل ۱۰۰ برابر سریع‌تر از هر چیزی که فیزیکدانان ذرات تاکنون قادر به انجام آن بوده‌اند، اجرا شود. اینجاست که الگوریتم جدید هوش مصنوعی وارد می‌شود.

کوتوال و تیمش یک الگوریتم «ردیابی مسیر» ایجاد کرده‌اند تا به سرعت نشانه‌های احتمالی ماده تاریک را در میان دریایی از داده‌ها قبل از برخورد بعدی شناسایی و علامت‌گذاری کند.

تراشه این تیم دارای چندین پردازنده هوش مصنوعی برای تجزیه و تحلیل داده‌ها با سرعت فوق‌العاده بالا خواهد بود. این سیستم به سرعت تصاویر را در کمتر از ۲۵۰ نانوثانیه پردازش می‌کند و در عین حال داده‌های نامربوط را دور می‌ریزد.

محققان مهلت تابستان ۲۰۲۴ را برای نمونه اولیه دستگاه خود در نظر گرفته‌اند. با این حال، محصول نهایی که حدود ۲۰۰۰ تراشه را در خود جای خواهد داد، پس از سه تا چهار سال دیگر در برخورد دهنده بزرگ هادرونی عملیاتی خواهد شد. این یافته‌ها در مجله Scientific Reports منتشر شده است.

 

کمک از ماه برای حفظ گونه‌های در معرض انقراض زمین

با استفاده از یک مخزن زیستی قمری می‌توان از دمای سرد ماه برای حفظ نمونه‌های منجمد شده استفاده کرد و آن ها را از انقراض کامل نجات داد.

آیا ماه می‌تواند به زودی خانه نمونه‌های زیستی منجمد موجودات در خطر انقراض زمین شود؟ تحقیقات جدید نشان می‌دهد که دانشمندان می‌توانند برای انجام این کار از نقاط سرد ماه که برخی از آن ها میلیاردها سال است نور خورشید را ندیده‌اند، استفاده کنند.

به نقل از اسپیس، مطالعات اخیر نشان داده است که حدود هشت میلیون گونه روی زمین وجود دارد و بیش از یک میلیون از آن ها در معرض خطر انقراض قرار دارند. این نگران‌کننده است و حتی می‌تواند تنها بخشی از چالش باشد زیرا ممکن است گونه‌های زیادی وجود داشته باشند که حتی قبل از شناسایی منقرض شوند.

مفهوم جدیدی که توسط گروهی از دانشمندان به رهبری مری هاگدورن(Mary Hagedorn) از باغ وحش ملی اسمیتسونیان و موسسه زیست شناسی حفاظتی ابداع شده است، مزایا و چالش‌های ایجاد یک مخزن زیستی در ماه را بیان می‌کند. این مخزن خنک مواد سلولی شامل نمونه‌های پوست حیوانات و مواد سلولی فیبری را که سایر بافت‌ها یا اندام‌ها به نام سلول‌های فیبروبلاست در گونه‌های در خطر انقراض جهان به هم متصل می‌کند، حفظ می‌کند.

این مخزن زیستی بالقوه ماه از فرآیندی به نام «حفظ سرمایشی» استفاده می‌کند که به معنای انجماد عمیق مواد سلولی و القای نوعی انیمیشن معلق با استفاده از محیط طبیعی ماه است.

هاگدورن و همکارانش در مقاله‌ای که در۳۱ ژوئیه منتشر شد، نوشتند: به دلیل وجود محرک‌های انسانی بی‌شمار، نسبت بالایی از گونه‌ها و اکوسیستم‌ها با تهدیدات بی‌ثباتی و انقراض مواجه هستند که سرعت آن بیشتر از توانایی ما برای نجات این گونه‌ها در محیط طبیعی‌شان است.

اگر نتوانیم گونه را به طور کامل نجات دهیم، دستکم می‌توانیم برخی از نمونه‌ها را از طریق انجماد نجات دهیم که به طور بالقوه می‌توانند برای شبیه‌سازی استفاده شوند. ما در حال حاضر توانایی حفظ سرمایشی نمونه‌های زیستی را در اینجا روی زمین داریم، اما ثابت شده است که این ذخیره‌سازی چالش برانگیز است.

دلیل این است که، روی زمین، هیچ مکان طبیعی به اندازه کافی سرد نیست که بتوان ذخیره‌سازی سرمایشی را در آن اجرا کرد، بنابراین ما باید به فناوری تکیه کنیم تا نمونه‌ها را منجمد نگه داریم. با این حال، در نواحی قطبی ماه، نواحی دائمی در سایه مانند کف دهانه‌ها وجود دارد که بیش از دو میلیارد سال است که نور خورشید را ندیده‌اند.

در این مناطق، دما معمولا زیر منفی ۳۲۱ درجه فارنهایت(منفی ۱۹۶ درجه سانتیگراد) باقی می‌ماند. به این ترتیب، هاگدورن و همکارانش استفاده از این دماهای سرد در ماه را برای حفظ سرمایشی غیرفعال مراکز ذخیره‌سازی انجماد طولانی‌مدت پیشنهاد کردند.

البته، موانع لجستیکی زیادی برای غلبه بر پروژه مخزن زیستی ماه وجود دارد که آن ها پیش‌بینی می‌کنند دهه‌ها طول بکشد تا به نتیجه برسد.

نمونه‌ها نه تنها برای حمل و نقل فضایی باید به‌طور مناسب بسته‌بندی شوند، بلکه باید به‌گونه‌ای نگهداری شوند که از سطوح تشعشع بالا در ماه محافظت شوند. و علاوه بر آن، موضوع همکاری و بودجه بین‌المللی وجود دارد. با این حال، تیم امیدوار است که ایجاد یک مخزن زیستی قمری امکان‌پذیر باشد. تنها زمان نشان می‌دهد که این پروژه شکست می‌خورد یا موفق می‌شود.

 

ساخت انواع نانوکارخانه‌ها با مهندسی DNA

محققان نشان دادند که با مهندسی رشته‌های DNA می‌توان نانوکارخانه‌های مختلفی را تولید کرد. آن‌ها برای اثبات این ادعا، نانوکارخانه‌ای برای دستکاری پروتئین‌ها تولید کردند.

نانوکارخانه‌های مصنوعی کارگاه‌های کوچکی هستند که از مولکول‌های خود بدن انسان ساخته شده‌اند. این سایت‌های ساخت و ساز زیستی دقیقاً مطابق با یک طرح مشخص ساخته شده‌اند. در آینده، آن‌ها می‌توانند کاربردهای متعددی داشته باشند، به عنوان مثال به تشخیص بهتر نشانگرهای بیماری یا سموم محیطی کمک کنند و یا به عنوان کاتالیزورهای بسیار خاص برای تبدیل و ذخیره انرژی خدمت کنند.

محققان دانشگاه دویزبورگ — فیزن الگویی را تهیه کرده‌اند که با استفاده از راهبردهای محفظه‌ای می‌تواند پروتئین‌ها را شکسته یا باز کند و یا آن‌ها را تنظیم نماید. چنین ویژگی و توانمندی می‌تواند مسیرهای تازه‌ای به سوی ساخت نانوکارخانه‌های مصنوعی باز کند. نتایج این پروژه در نشریه Nature Nanotechnology منتشر شده است.

در سلول‌ها، واکنش‌های شیمیایی در سیستم‌های آنزیمی محفظه‌ای سازماندهی می‌شوند. به عبارت دیگر، واکنش‌ها در مناطق مکانی محدودی، موسوم به محفظه صورت می‌گیرد. این ویژگی، شرایط خاصی را برای هر واکنش ایجاد می‌کند و باعث افزایش کارایی و کنترل فرآیندهای بیوشیمیایی می‌شود.

با الهام از این سیستم‌های طبیعی، این تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور دکتر باربارا ساکاکا از مرکز بیوتکنولوژی پزشکی (ZMB) با همکاری آزمایشگاه پروفسور دکتر هممو مایر اقدام به ایجاد نانوکارخانه‌ای کردند که دارای محفظه‌های مختلف بوده که امکان انجام واکنش‌های خاص را دارد. برای ایجاد این نانوکارخانه، آن‌ها از روش DNA اریگامی استفاده کردند، روشی که در آن مولکول‌های DNA مانند بلوک‌های ساختمانی کوچک تا می‌شوند تا سازه‌های بسیار کوچکی را تشکیل دهند. از آنجا که فعل و انفعالات بین اجزای DNA دقیقاً مشخص است می‌توان ساختاری را در ابعاد نانومتری ایجاد نمود.

در این نانوکارخانه، دو محفظه طراحی شده که هر کدام دارای یک فضای داخلی است. بخش باز کردن پروتئین P۹۷ در قسمت اول قرار دارد. این بخش همانطور که از نامش پیداست اقدام به باز کرد بخش‌های تاخورده پروتئین می‌کند. در بخش دوم آنزیم پروتئاز وجود دارد که می‌تواند پروتئین‌ها را به بخش‌های کوچکتر بشکند. اتصال مکانی دو فرآیند فرعی باعث می‌شود که واکنش به طور قابل توجهی کارآمدتر شود؛ سرعت واکنش ده برابر افزایش می‌یابد و واکنش‌های جانبی ناخواسته تقریباً یک ششم سیستم‌های دیگر است.

این طراحی محققان مسیرهای تازه‌ای برای استفاده از فناوری‌نانو DNA و ایجاد ساختارهای مصنوعی باز می‌کند. از این سامانه‌ها می‌توان برای تولید نانوکارخانه‌های دیگر استفاده کرد.