ماده تاریک چیست؟

پرسش هایی که هنوز درباره ماده تاریک بی پاسخ مانده اند.

در دهه 1930 یک ستاره شناس سوئیسی به نام فریتز زویسکی متوجه شد کهکشان های که در خوشه های دوردست قرار دارند با سرعتی بسیار بیشتر از مقدار مورد انتظار از جرم مشهودشان به دور خود می گردند. سرعت گردش یک کهکشان به دور مرکز گرانشی خود به جرم آن بستگی دارد. فریتز با محاسبه سرعت واقعی گردش کهکشانها به دور یکدیگر متوجه شد گویی یک ماده نامرئی که آن را ماده تاریک نامید، بر کهکشانها اثر گرانشی عظیمی وارد می سازد.

از آن زمان تاکنون پژوهشگران تایید کرده اند که این ماده اسرارآمیز در سراسر عالم یافت می شود 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 وجود دارد.

1.      ماده تاریک چیست؟

پیش از همه، پژوهشگران هنوز درباره ماهیت واقعی ماده تاریک اطمینان نیافته اند. در ابتدا برخی دانشمندان حدس می زدند که ماده گم شده در عالم از ستارگان کوچک کم نور و سیاهچاله ها ساخته شده است. اما رصدهای موجود تاکنون مقدار کافی از این اشیا را که بتوانند پاسخگوی مقدار عظیم ماده تاریک باشند آشکار نساخته اند. بنابراین یک ذره فرضی به نام ذره پرجرم با برهم کنش ضعیف یا WIMP فرض کرده اند که مانند یک نوترون عمل کرده لیکن بین 10 تا 100 برابر جسیم تر از یک پروتون است. اما این فرض خود به سوالات بیشتری انجامیده است، از جمله این که:

2.      آیا ماده تاریک قابل آشکارسازی است؟

اگر ماده تاریک از ذرات WIMP ساخته شده، باید پیرامون ما همه جا وجود داشته و نامشهود و به سختی قابل آشکارسازی باشند. با اینکه این ماده با ماده معمولی برهم کنش نمی کند اما همواره یک احتمال اندک وجود دارد که یک ذره ماده تاریک در حین سفر خود در فضا با یک پروتون یا الکترون معمولی برخورد کند. اما آزمایشات بیشمار تاکنون نتوانسته اند حتی یک مورد از این برخوردها را ثبت کنند. شاید ذره تشکیل دهنده ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMP های فرضی باشد.

3.      آیا ماده تاریک از بیش تر از یک نوع ذره تشکیل شده است؟

ماده معمولی از ذراتی مانند پروتون و الکترون ساخته شده و ذرات عجیب غریب دیگری مانند نوترینوها، میونها و پیون ها نیز وجود دارند. اما آیا ماده تاریک که حدود 85 درصد ماده تشکیل دهنده عالم را می سازد باید از همان درجه پیچیدگی برخوردار باشد؟ یا ماده تاریک تنها از یک نوع ذره ساخته شده است؟

4.      آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

ذرات تشکیل دهنده ماده معمولی بر یکدیگر نیرو وارد می کنند. اما آیا ذرات ماده تاریک نیز نوعی نیروی تاریک بر هم وارد می کنند؟

5.      آیا ماده تاریک از اکسیون ها ساخته سده است؟

با دورشدن توجه فیزیکدانها به ذرات فرضی WIMP ، دره فرضی دیگری به نام اکسیون توسط دانشمندان پیشنهاد شده است. این ذرات بسیار سبک بوده و حدود 10 به توان 31 بار سبکتر از پروتون هستند. شاید این ذرات بتوانند اشیای ستاره مانندی ساخته و تشعشعات قابل ردیابی کاملا شبیه آنچه انفجارهای رادیویی سریع نامیده می شود تولید کنند.

6.       خواص ماده تاریک کدام است؟

ستاره شناسان از طریق برهم کنش گرانشی ماده تاریک با ماده معمولی پی به وجود آن برده اند. اما زمانی که به مطالعه خواص این ماده آغازیدند موفقیتی در این باره نداشته اند. آشکاسازهای برخورد ماده و ضدماده در ایستگاه فضایی بین المللی هزاران مورد از برهم کنش های مشکوک را ثبت کرده اند اما ماهیت واقعی اینها هنوز ناشناخته اند.

7.      آیا ماده تاریک در تمامی کهکشانها وجود دارد؟

8.      آیا ماده معمولی پس از زوال به ماده تاریک تبدیل می شود؟

9.      آیا ماده تاریک می تواند دارای بار الکتریکی باشد؟

اینها تنها بخشی از مجهولاتی بزرگی هستند که درباره این ماده اسرار آمیز وجود دارند.

منبع:

https://www.livescience.com/64113-dark-matter-mysteries.html

---

تدریس خصوصی دروس ریاضیات دبیرستان و دانشگاه

توسط مدرس با تجربه

09360771981

---

نوترینوها چیستند؟

منبع: Live Science – 21 فوریه 2019

نوترینوها ذرات درون اتمی گریزپایی هستند که در فرایندهای هسته ای گوناگون هستی می یابند. نام آنها به معنای "ذره خنثای کوچک" است که به بدون بار بودن آنها اشاره دارد. از چهار نیروی بنیادی موجود در عالم، نوترینوها تنها با دو تا از آنها واکنش می کنند: گرانش و نیروی هسته ای ضعیف که مسئول واپاشی رادیواکتیو اتمهاست. تقریبا هیچ جرمی ندارند و با سرعتی نزدیک به سرعت نور در کیهان انتشار می یابند.

در کسر ثانیه ای پس از انفجار بزرگ (Big Bang) تعداد بیشماری نوترینو بوجود آمدند و در سراسر زمان پس از آن نیز نوترینوهای جدیدی در فرایندهای گوناگون خلق شده اند: در قلب هسته ای ستارگان، در شتاب دهنده های ذرات و راکتورهای اتمی موجود بر کره زمین، در طی فروریزش انفجاری ابرنوستاره ها و وقتی عناصر رادیواکتیو دچار واپاشی می شوند. معنای گفته این است که بطور متوسط در عالم تعداد نوترینوها یک میلیارد برابر بیشتر از تعداد پروتون هاست.

با وجود فراوانی آنها، نوترینوها راز بزرگی در برابر فیزیکدانها هستند زیرا شکار آنها بسیار دشوار است. نوترینوها از درون بیشتر مواد چنان به سهولت جریان می یابند که گویی اشعه نوری هستند که از پنجره ای شفاف عبور می کنند و بندرت با هر ماده دیگری واکنش می یابند. تقریبا در این لحظه 100 میلیارد نوترینو از درون بدن شما عبور کرده اند بدون اینکه چیزی حس کنید.

کشف ذرات نامشهود

نوترینوها اولین بار برای حل یک معمای علمی مطرح شدند. در قرن نوزدهم پژوهشگران در مورد پدیده ای به نام واپاشی بتا دچار گیجی شده بودند. در این رخداد هسته درون اتم بطور آنی یک الکترون از خود ساتع می کند. بنظر می رشید واپاشی بتا از دو اصل بنیادین فیزیک یعنی بقای انرژی و بقای اندازه حرکت تخطی می کند. این چنین می نمود که در پیکربندی نهایی ناشی از واپاشی بتا ذرات انرژی بسیار اندکی دارند و پروتون بجای گرفتار شدن در جهت مخالف الکترون ساکن در جای خود می ایستد. تنها در سال 1930 بود که فیزیکدان بزرگ ولفگاگ پاولی این ایده را مطرح کرد که ممکن است ذره دیگری از درون هسته اتم بیرون آید که انرژی و اندازه حرکت گم شده را با خود به بیروه هسته منتقل می کند. پاولی به دوست خود نوشت که با فرض ذره ای غیر قابل آشکار ایده وحشتناکی را مطرح کرده است. نوترینوهای فرضی او چنان وجود شبح واری داشتند که ندرتا به هر چیزی واکنش کرده و جرم اندکی در حد هیچ داشتند.

بیش از یک ربع قرن بعد فیزیکدانانی به نام کلاید کووان و فردریک راینز یک آشکار نوترینو ساخته و آن را در خارج راکتور اتمی نیروگاه رودخانه ساوانا در جنوب کارولاینا قرار دادند. آزمایش آنها توانست تعداد کمی از صدها تریلیون نوترینوی خارج شده از راکتور را آشکار کند. آنها تلگرامی به پاولی در تایید نظریه نوترینوی او ارسال کردند. راینز در سال 1995 جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کردند – در آن زمان کووان همکار او درگذشته بود.

از آن زمان تاکنون نوترینوها بطور مداوم با انتظارات دانشمندان تقابل ورزیده اند. خورشید تعدادی بیشماری نوترینو تولید می کند که زمین را بمباران می نمایند. در میانه قرن بیستم پژوهشگران آشکارسازهایی برای جستجوی این ذرات ساختند اما آزمایشات آنها تنها یک سوم نوترینوهای قابل پیش بینی را آشکارسازی کرده است. یا در مدلهایی که ستاره شناسان برای خورشید ساخته اند چیزی اشتباه است یا امر غریب و نامکشوفی اتفاق می افتد که از آن بی خبریم.

فیزیکدانان بالاخره دریافتند که نوترینوها در سه نوع طعم (flavor) می آیند. نوترینوی عادی، نوترینوی الکترون نامیده می شود. دو طعم دیگر نیز وجود دارند: نوترینوی میون (meun) و نوترینوی تاو (tau). وقتی این ذرات فاصله میان خورشید و سیاره ما را طی می کنند بین این سه نوع نوسان می نمایند. به همین دلیل آزمایشات اولیه که تنها برای کشف نوترینوهایی از یک نوع طراحی شده بودند نمی توانستند دو سوم نوترینوها را آشکارسازی کنند.

اما تنها ذرات دارای جرم می توانند اینگونه بین سه نوع نوسان کنند، واقعیتی که با ایده اولیه در مورد بدون جرم بودن نوترینوها نمی خواند. در حالی که دانشمندان جرم دقیق هر سه نوع نوترینو را نمی دانند آزمایشات تعیین کرده ند که سنگین ترین آنها باید حداقل 0.0000059 بار سبکتر از الکترون باشد.

قوانینی جدید برای نوترینوها

در سال 2011 پژوهشگران در پروژه OPERA واقع در ایتالیا اعلام کردند که نوترینوهایی سریعتر از نور یافته اند، نتیجه ای که طبق فرضیات علمی موجود ناممکن بنظر می رسد. گرچه این خبر بطور وسیعی در رسانه ها منتشر شد نتایج این آزمایشات از سوی جامعه علمی با بدبینی زیادی مواجه گردید. کمتر از یکسال بعد فیزیکدانان دریافتند که یک سیم کشی اشتباه باعث محاسبه غلط سرعت نوترینوها شده و آنها سریعتر از نور حرکت نمی کنند.

اما هنوز دانشمندان باید مطالب زیادی درباره نوترینوها یاد بگیرند. اخیرا پژوهشگران آزمایشگاه شتاب دهنده فرمی در نزدیکی شکاگو نوع جدیدی از نوترینو به نام نوترینوی استریل یافته اند. این نوترینوها در چارچوب مدل استاندارد موجود برای تبیین تمام ذرات و نیروهای موجود (بجز گرانش) قرار نمی گیرند. این پژوهشگران معتقدند چارچوب تحلیلی کاملا جدیدی برای توصیف این ذرات باید ابداع شود.

دستاورد مهمی در تبدیل دی اکسید کربن هوا به سوخت با استفاده از نور خورشید

تابش خورشید که در طول یک ساعت به زمین برخورد می کند تقریبا معادل کل مصرف انرژی انسانهای کره خاکی برای یک سال کامل است. میزان انتشار جهانی دی اکسید کربن نیز بطور پیوسته در حال افزایش است. با استفاده از انرژی خورشید می توان گازهای گلخانه ای را تسخیر کرده و آنها را به سوخت یا مواد شیمیایی مفید تبدیل کرد. سالهاست که بر روی این موضوع تحقیق می شود لیکن نتیجه رضایت بخشی بدست نیامده است. لیکن اخیرا یک تیم پژوهشی بین المللی گام مهمی در این راستا به پیش برداشته است.

این پژوهشگران از یک ماده آلی متخلخل به نام COF -چارچوب آلی کووالان-  استفاده کرده اند. این ماده می تواند نور خورشید را به طرز موثری جذب کند. با افزودن یک ماده کاالیزوری به COF آنها توانسته اند بدون انرژی اضافی دی اکسید کربن را به مونواکسید کربن تبدیل کنند.

تبدیل به مونواکسید کربن به دو الکترون اضافی نیاز دارد. فوتونهای نور آبی دارای الکترونهای دراز عمرتری با سطح انرژی بالا هستند و توسط آنها می توان COF را با الکترونها برای تکمیل یک واکنش شارژ کرد.

در آینده از این کشف می توان برای ساخت واحدهای بزرگتری در سطح جهانی استفاده کرد که بتوانند با استفاده از انرژی خورشید دی اکسید کربن موجود در هوا را جذب کرده و آن را به سوخت یا مواد شیمیایی دیگر تبدیل کنند. این می تواند یکی از راههای مقابله با بحران فزاینده آب و هوایی در سطح جهان باشد.

منبع:

Science Daily

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220216103024.htm

---

تدریس دروس ریاضی دبیرستان و دنشگاه

توسط مدرس خصوصی مجرب

09360771981

---

مهمترین پیشرفت ها در فناوری موتور خودرو

اولین موتور خودرو حدود 150 سال قبل توسط کارل بنز ابداع گردید. از آن زمان تاکنون فناوری موتور خودرو مسیر زیادی را پیموده است: از موتورهای دوسوپاپه که مخلوط قابل احتراق توسط نیروی وزن به درون ۀآنها وارد می شد تا سیستم های مدرن پاشش سوخت امروزی. همچنین فناوری موتور خودروی برقی نیز گسترش شتابانی یافته که نیاز به یک موتور احتراق داخلی آلوده ساز را کاملا برطرف می کنند. در این مقاله ده تا از مهمترین فناوری های نوین موتور خودرومعرفی می گردد.

موتور هیبرید

هیبرید بطور ساده به معنای ترکیب دو نوع منبع قدرت است، به عبارتی یک موتور معمولی بنزینی (یا دیزلی) که توسط یک موتور برقی پشتیبانی می شود. موتور برقی هنگام بره افتادن خودرو، حرکت با سرعت ثابت در بزرگراه ها و برقی شرایطی که نیاز به بار کم دارد بکار می آید. این امر به کاهش قابل ملاحظه مصرف سوخت می انجامد. هر سال تعداد بیشتری از خودرسازها به تولید خودروی هیبرید روی می آورند.

پاشش مستقیم

روزهای موتورهای کاربوراتی به پایان رسیده است. پاشش مستقیم با اسپری کردن دقیق هوا و سوخت بطور مستقیم به داخل سیلندر (اتاق احتراق) کار می کند. پاشش منظم سوخت یا پاشش الکتریکی سوخت (EFI) تنها آمیزه سوخت و هوا را به درون مانیفولد درون کش (intake manifold) پاشیده و سپس با بازشدن هر سوپاپ این مخلوط به درون هر سیلندر مکیده می شود. فناوری جدید پاشش مستقیم با دقیق تر کردن روش تزریق سوخت بر کارایی موتور افزوده است. میزان سوخت مورد نیاز برای هر سیلندر نیز به دقت اندازه گیری شده و کنترل می شود. این فناوری در موتورهای دیزل یا توربودیزل جدید نیز به خدمت گرفته شده است.

زمانبندی متغیر سوپاپ

این فناوری پیچیده یکی از انقلابی ترین فناوری ها در موتورهای نوین است. در این فناوری کنترل سوپاپ بطور پیوسته بر حسب شرایط تنظیم می شود تا توان و گشتاور مفیدتری برای هر بخش از گشتره دور موتور فراهم آید. بدین ترزتیب حدود هفت درصد از مصرف سوخت و انتشار گازهای آلاینده کاسته می شود.

توربوشارژ

وقتی توربوشارژ در دهه 1970 ارائه شد، تنها در خودروهای مسابقه مورد استفاده قرار می گرفت. لیکن امروزه توربوشارژ به مولفه ای ضروری در ارتقای بازده، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلاینده ها تبدیل شده است. توربوشارژ با دمیدن مخلوط هوا و سوخت به درون موتور با استفاده از یک پروانه عمل می کند که خود این پروانه توسط گازهای خروجی چرخانده می شود. همانطور که مکش اکسیژن تازه بجای هوایی که مخلوطی از گازهاست بر کارایی شش های انسان می افزاید، دمیدن مخلوط قابل احتراق به داخل موتور نیز بر کارایی آن خواهد افزود.

غیرفعال سازی سیلندرها

این فناوری غالبا در موتورهای بزرگتر مانند V6 و V8 بکار می رود. وقتی با سرعت ثابت در حال حرکت در بزرگراه هستید بریا نگهداشتن سرعت ثابت تنها به بخشی از توان خودرو نیاز دارید. برای مثال اگر یک خودرو با موتور V8 را می رانید برای ادامه حرکت به همه سیلندرها نیاز ندارید. غیرفعال سازی سیلندر در عمل قتی توان زیادی مورد نیاز نیست، دو یا چهار سیلندر را بطور خودکار موقتا غیرفعال می کند. بیشتر سیستم ها در این حالت از هشت سیلندر به چهارسیلندر تبدیل می شوند. این عمل بدون اطلاع راننده صورت می پذیرد و در صورت نیاز دوباره تمامی سیلندرها به مدار باز می گردند. نتیجه این فناوری، بهره گیری از صرفه جویی یک موتور چهار سیلندر در هنگام حرکت بر بزرگراههاست.

موتور برقی

موتورهای برقی روز بروز متداول تر می شوند. مهمترین فایده آنها انتشار آلاینده در حد صفر است. عیب بزرگ آنها نیاز به باتری است. در مورد خودروی بنزینی یا دیزلی تنها لازم است به یک پمپ بنزین مراجعه کنید اما ایستگاه های شارژ باتری خودری برقی هم اکنون کم شمارند و برد خودروی برقی نیز کوتاه است. بسیاری از دولتها در سراسر جهان در حال بروز سازی زیرساختها برای گسترش استفاده از خودری برقی هستند.

موتور احتراق داخلی هیدروژنی

هم اکنون آزمایشاتی برای استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در موتورهای احتراق داخلی در دست انجام است. این موتورها طرحی مشابه موتورهای بنزینی دارند و تنها از هیدروژن به عنوان سوخت احتراقی استفاده می کنند. این موتورها بیست درصد توان بیشتر تولید کرده و تقریبا هیچ آلاینده ای منتشر نمی کنند. گاز خروجی از اگزوز این موتورها بخار آب است. تنها مشکل این است که هنوز راه مناسبی برای ذخیره هیدروژن به عنوان سوخت در خودرو و ایستگاه های پمپ هیدروژن یافت نشده است.

پیل سوختی هیدروژنی

برخلاف موتورهای احتراقی هیدروژن سوز، پیل های سوختی همانند یک موتور برقی کار می کنند. در این نوع موتورها از هیدروژن در یک واکنش شیمیایی که ایجاد الکتریسیته می کند استفاده می شود. این الکتریسیته برای راندن یک موتور برقی مصرف می شود. بهترین بخش این طرح این است که احتیاج به هیچ شارژ مجدد ماند باتری ندارد. در عوض تنها باید هیدروژن را دوباره وارد باک موتور کرد. گرچه تمیزترین نوع موتور است لیکن ذخیره مناسب هیدروژن هنوز یک مساله بشمار می رود.

آلترناتور فعال

آلترناتور یک مولد برق است که هنگام کارکردن موتور باتری خودرو را شارژ می کند. این وسیله از دوران موتور برای گرداندن یک قرقره و تولید و تبدیل انرژی دورانی به برق مورد نیاز برای شارژ باتری استفاده می کند. هر موتوری برای ادامه کار به یک آلترناتور نیاز دارد. آلترناتورهای فعال در خودروهایی ماند مزدا و BMW بکار رفته اند و از یک سیستم کلاچ برای هرزچرخیدن آلترناتور هنگامی که باتری پر است استفاده می کنند. بدین ترتیب موتور نیاز به صرف توان برای گرداندن آلترناتور هنگامی که نیاز به آن نیست ندارد. برخی سیستم ها زمانی که نیاز به حداکثر توان و شتاب موتور است نیز آلترناتور را جدا می کنند تا تمام توان تولیدی برای تولید خروجی مصروف شود.

سازگاری با LPG

تقریبا تمام خودروهای بنزینی می توانند با تغییرات اندکی از LPG (گاز مایع) استفاده کنند. LPG نه تنها با محیط زیست سازگار تر است، بسیار ارزانتر از بنزین نیز هست. مطالعاتی در دست است تا موتورهای جدید از پایه قابلیت سوزاندن LPG بدون هیچ تغییری را داشته باشند.

https://www.carloans.com.au/blog/top-ten-advances-in-engine-technology

تلسکوپ فضایی هابل و تصویری دیدنی از سه کهکشان در یک قاب

 

ناسا تصویری مسحور کننده از سه کهکشان در یک قاب تصویر منتشر کرده است. این کهکشان ها بطور متوسط 425 میلیون سال نوری از زمین فاصله دارند و تحت نام NGC 7764A خوانده می شوند.

به نظر می رسد فاصله کم این کهکشانها از یکدیگر باعث شده تاثیر گرانشی زیادی بر هم داشته باشند.

منبع:

https://ktla.com/news/nationworld/hubble-telescope-captures-three-galaxies-in-epic-photo/