ماده تاریک: راز بزرگ کیهان

در دهه 1930 یک ستاره شناس سوئیسی به نام فریتز زویکی متوجه شد کهکشان هایی که در خوشه های دوردست قرار دارند با سرعتی بسیار بیشتری از آنچه بر اثر جرم قابل رویت آنها محاسبه می شود، به دور خود می گردند.

سرعت گردش یک کهکشان به دور مرکز گرانشی خود به جرم آن بستگی دارد. هرچه جرم یک کهکشان بیشتر باشد، با سرعت بیشتری به دور مرکز گرانشی خود می گردد. زویکی با محاسبه سرعت واقعی چرخش کهکشانها متوجه شد گویی یک ماده نامرئی که می توان آن را ماده تاریک نامید، بر کهکشانها اثر گرانشی عظیمی وارد می سازد و به آنها شتاب گردش دورانی قابل ملاحظه ای تحمیل می کند.

از آن زمان تاکنون پژوهشگران تایید کرده اند که این ماده اسرارآمیز در سراسر عالم یافت شده و شش بار فراوانتر از ماده معمولی است که اشیای عادی و بدن ما انسانها را می سازد. با وجود مشاهده آثار این ماده در سراسر گیتی، دانشمندان هنوز پی به ماهیت آن نبرده اند. در مورد این ماده پرسش های بدون پاسخ فراوانی باقی مانده و هم اکنون یکی از بزرگترین رازهای علمی فراروی انسان است.

تا اینجا وجود ماده تاریک تنها یک فرضیه و حدس علمی است، زیرا بدون آن، رفتار ستاره ها، سیارات و کهکشانها غیرقابل توجیه می شود.

1. ماده تاریک چیست و چرا قابل دیدن نیست؟

ماده تاریک کاملا نامشهود است. هیچ نور یا انرژی ساتع نمی کند بنابراین با حسگرها و آشکارسازهای معمولی قابل مشاهده نیست. به باور دانشمندان، ترکیب شیمیایی این ماده باعث ماهیت غیرعادی آن می شود.

ماده مرئی که به آن ماده باریونیک نیز گفته می شود از باریون ها ساخته شده است – عنوانی گسترده که برای اشاره به ذرات درون اتم مانند پروتونها، نوترونها و الکترونها بکار می رود. دانشمندان تنها می توانند حدسیاتی درباره ماهیت این ماده ابراز کنند. بیشتر دانشمندان بر این باورند که ماده تاریک از ماده غیرباریونیک ساخته شده است. مهمترین داوطلب برای این ذرات ویمپ ها هستند – یعنی ذرات جسیم با برهم کنش ضعیف. این ذرات ممکن است ده تا صد برابر سنگین تر از پروتون بوده ولی برهم کنش ضعیف آنها با ماده معمولی آشکار سازیشان را دشوار سازد. ذرات پیشنهادی دیگر نوترالینوها هستند، ذرات جسیم فرضی سنگین تر و کندتر از نوترینوها. اما این ذرات هنوز آشکارسازی نشده اند. نوترینوهای استریل داوطلب بعدی هستند. نوترینوها ذراتی هستند که ماده عادی را نمی سازند. جریان پیوسته ای از نوترینوها از سوی خورشید صادر می شود اما از آنجایی که با ماده عادی بندرت واکنش می کنند، به آسانی از درون زمین و ساکنان آن می گذرند.

 سه نوع شناخته شده از نوترینو وجود دارد. نوع چهارم که نوترینوی استریل نامیده می شود ذره پیشنهادی سازنده ماده تاریک است. نوترینوی استریل تنها از طریق گرانش می تواند با ماده عادی برهم کنش داشته باشد. اما سوال اساسی این است که درصد هر کدام از این چهار نوع نوترینو چقدر است.

ذرات فرضی آکسیونهای خنثای کوچکتر و فوتینوهای بدون بار نیز داوطلبهای دیگری برای ساختار ماده تاریک هستند.

چیزی به نام ضدماده نیز وجود دارد که همانند ماده تاریک نیست. ضد ماده شامل ذراتی است که اساسا معادل ماده مرئی معمولی هستند لیکن بار مخالف دارند. این ذرات ضدپروتون یا ضد الکترون نامیده می شوند. وقتی ضد ذرات با ذرات معمولی تلاقی پیدا می کنند، انفجاری روی می دهد که نتیجه نابودی هر دو نوع ماده و ضد ماده است. ما در دنیایی زندگی می کنیم که ماده معمولی در آن شکل غالب دارد و ضد ماده آزادی یافت نشده است. در غیر ینصورت همه چیز در دنیا در اثر واکنش میان ماده و ضد ماده از میان می رفت. برخلاف ماده تاریک، فیزیکدانان می توانند ضد ماده را بطور عملی در آزمایشگاههای خود بسازند.

2. آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

دانشمندان بطور قطع پاسخ این سوال را نمی دانند. آنچه می دانیم این است که اگر به یک کهکشان نوعی نگاه کنیم، با در نظر گرفتن تمام ماده ای که به صورت ستارگان، گاز و غبار می بینیم و استفاده از قانون گرانش و حرکت نیوتن یا حتی شکل درست تر آن، قانون نسبیت عام اینشتاین، تلاش برای توصیف جنبش های این ماده مشهود ما را به پاسخ نادرست می رساند. به عبارتی سرعت گردش کهکشان به دور مرکز خود بسیار کمتر از آنچه دیده می شود، محاسبه خواهد گردید. اشیای موجود در کهکشان بسیار سریعتر از آنچه قوانین فیزیکی پیشنهاد می کند، حرکت می کنند. ماده قابل دیدن آنقدر کافی نیست که این شتاب های گرانشی بزرگ در کهکشان ها یا خوشه های کهکشانی را ایجاد کند. برای این واقعیت دو تفسیر ممکن وجود دارد:

1. ماده بیشتری وجود دارد که توسط تلسکوپها قابل دیدن نیست. ما آن را ماده تاریک می نامیم.

2. قوانین نیوتن و حتی نسبیت عام در مقیاس کهکشانها و هرچیزی بزرگتر از آنها صدق نمی کنند. بلکه باید به دنبال قانون دیگری بود که آن را قانون تغییریافته گرانش یا دینامیک تغییر یافته نیوتنی می توان نامید.

بیشتر کیهان شناسان فرض وجود ماده تاریک را معتبر می دانند. بخشی از دلیل آنها این است که نگاشتن یک نظریه موفق برای دینامیک تغییریافته نیوتنی بسیار دشوار است و نیز این که تابش پس زمینه کیهانی، یعنی امواج مایکرو ویوی که بیش از 13 میلیارد سال پیش و به هنگام جوانی عالم تشکیل شده اند نیاز به فرض همین مقدار ماده تاریک را الزام می نمایند.

3. آیا ماده تاریک دارای جرم است؟

اگر ماده تاریک براستی وجود داشته باشد باید دارای جرم باشد. ماده فاقد جرم، اثر گرانشی بر اجرام عالم نمی گذارد.

4. ما چگونه به دنبال ماده تاریک می گردیم؟

از آنجایی که ماهیت ماده تاریک بر ما معلوم نیست، برای هر فرضیه خاص در این باره یک روش جستجوی متفاوت مناسب خواهد بود. دانشمندان آشکارسازهای غول آسایی در اعماق زمین قرار داده اند تا آنها را از اثرات هرگونه جریان ذرات مزاحم پیرامونی محفوظ دارند و به دنبال سیگنال هایی که از ماده تاریک می آید گشته اند.

5. چرا تصور می کنیم ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

پاسخ در اثرات گرانشی نهفته است. از دهه 1920 ستاره شناسان بر این باور بوده اند که کیهان بایستی ماده بیشتری از آنچه می توانیم ببینیم در خود داشته باشد زیرا نیروهای گرانشی موجود بسیار نیرومندتر از آنی هستند که ماده مشهود بتواند ایجاد کند.

ستاره شناسانی که در دهه 1970 کهکشانهای مارپیچی را مطالعه می کرده اند انتظار داشتند ماده موجود در مرکز این کهکشانها سریعتر از لبه های بیرونی حرکت کند. اما معلوم شد ستارگان در هر دو مکان با سرعت یکسانی می گردند که بدین معناست که کهکشانها جرم بیشتری از آنچه قابل مشاهده است دارند.

مطالعه گاز موجود درون کهکشانهای بیضوی نیز بر وجود جرم بیشتری درون کهکشانها دلالت داشت. اگر تنها جرم موجود درون خوشه های کهکشانی همان جرم مشهود بود، این خوشه ها بسیار پیش تر از این از هم پاشیده شده بودند.

به نظر می‌رسد کهکشانهای مختلف دارای مقادیر متفاوتی از ماده تاریک باشند. در 2016 تیمی از ستاره شناسان کهکشانی به نام سنجاقک 44 یافتند که تقریبا تماما از ماده تاریک ساخته شده بود. از سوی دیگر از سال 2018 ستاره شناسان کهکشانهایی یافته اند که به نظر می‌رسد به کلی عاری از ماده تاریک هستند.

نیروی گرانش نه تنها بر مدار ستارگان درون کهکشانها، بلکه بر مسیر نور تابش شده نیز تاثیر می گذارد. آلبرت اینشتاین در اوایل دهه 1920 نشان داد که اشیای جسیم در کیهان مسیر پرتو نور را تحت اثر گرانش خود خم کرده و تغییر می‌دهند. این پدیده لنز گرانشی نامیده می شود. با مطالعه نحوه اعوجاج در مسیر نور توسط خوشه های کهکشانی دانشمندان توانسته اند نقشه ای از ماده تاریک در کیهان ترسیم کنند. اکثریت بزرگی از جامعه ستاره شناسی دنیا هم اکنون بر وجود ماده تاریک باور دارند. با این وجود هنوز این احتمال نیز وجود دارد که ماده تاریک اساسا غیرواقعی باشد. در اینصورت باید تمامی قوانین فیزیک در ابعاد بزرگ تغییر داده شوند.

6. ماده تاریک از کجا می آید؟

بنظر می رسد ماده تاریک در سراسر کیهان به شکل یک الگوی شبکه ای منتشر شده است که خوشه های کهکشانی گره‌های این شبکه را در محل تلاقی رشته های آن تشکیل می دهند. موضوع زمانی پیچیده تر می‌شود که بنظر می رسد علاوه بر ماده تاریک نوعی انرژی تاریک نیز وجود دارد، نیروی مرموزی که باعث شتاب گرفتن انبساط عالم علیرغم مخالفت گرانش می شود.

الگوی شبکه مانند ماده تاریک که در سراسر گیتی پراکنده است.

اما ماده تاریک از کجا می آید؟ پاسخ روشنی نداریم. اما چند نظریه در این مورد وجود دارد. پژوهشی که در سال 2021 در نشریه آستروفیزیکال چاپ شد پیشنهاد کرد که ماده تاریک ممکن است در سیاهچاله ها متمرکز شده باشد، دروازه‌های نیرومندی به عالم ناچیز که بواسطه نیروی عظیم گرانشی هرچیزی در مجاورت خود را به درون می بلعند. بنابراین ماده تاریک ممکن است همراه با تمامی عناصر تشکیل دهنده عالم امروزین در سیاهچاله ها تشکیل شده باشد.

چنین پنداشته می شود که باقیمانده های ستارگان مانند کوتوله های سفید و ستارگان نوترونی نیز حاوی مقادیر عظیمی ماده تاریک باشند. و نیز به اصطلاح کوتوله های قهوه ای، ستارگان ناکامی که به اندازه کافی ماده برای آغاز واکنش هسته‌ای در مرکز خود گرد نیاورده اند.

با استفاده از حسگرهای نیرومند تلسکوپ فضایی جیمز وب و تلسکوپ اقلیدس آژانس فضایی اروپا، دانشمندان امیدوارند شواهد مستحکم تری درباره وجود و ماهیت ماده تاریک بدست آورند.

Source: Live Science

برای ویدیویی جذاب درباره ماده تاریک به لینک زیر در یوتیوب مراجعه فرمایید:

https://www.youtube.com/watch?v=PUnoYS_cYO0