ماده تاریک چیست؟

ماده تاریک چیست؟

این چه ترکیبی از کلمه هاست که کیهان شناسان ساخته اند؟ مگر ماده تاریک می شود؟ فقط این ترکیب نیست که غریب است، ما انرژی تاریک هم داریم! این چه فرایندی است که سبب ساخت این ترکیب دو یا چند کلمه "تاریک"، "ماده" و "انرژی" شده است؟ چگونه این مفهوم نوین شکل گرفته است؟
توسعه اندیشه بشری همواره همراه با مفهوم سازی های جدید بوده است. آیا این مفهوم – یعنی: ماده تاریک - موجب توسعه علمی شده است یا خواهد شد؟
درک ما در علوم فیزیکی از ماده کمابیش همان است که در عرف عادی مردم است. مهم ترین ویژگی ماده، جرم و در نهایت بار الکتریکی آن است که به ظاهر با بار تاکنون مشکلی پیش نیامده است، اما با جرم چرا!
تازه در نسبیت هم آموختیم انرژی را با جرم مترادف می گیریم و جرم، بر خلاف انتظار، مفهوم بسیار پیچیده ای دارد که تکوین آن به صورت امروزی در علم فیزیک بیش از هزار سال طول کشیده است.
در گذشته ما به اجسام کیهانی – یعنی: اجسامی که در آسمان هستند – "جرم" می گفتیم؛ حال آن که در زبان فارسی هنوز به کار بردن عبارت "اجرام آسمانی" برای اجسام یا اشیای کیهانی مصطلح است. به مرور در ذهن فیلسوفان و طبیعی دانان در خصوص ارتباط میان ماده و حرکت، لفظ جرم مفهوم و نقش جدیدی پیدا کرد. اخوان الصفا، در دوران اسلامی، گام مهمی در این زمینه برداشت، اما گام نهایی در فیزیک نیوتنی برداشته شد که جرم از ویژگی های ماده است و در برابر نیرو مقاومت نشان می دهد و ما امروزه به آن "جرم لَختی می گوییم. این ویژگی در فیزیک نیوتنی یکی انگاشته شد و با ویژگی دیگری که آن را امروزه "جرم گرانشی" می خوانیم، - یعنی: هر جسم نیروی گرانشی تولید می کند و با جرم گرانشی آن متناسب است - که در نسبیت عام این دو جرم از هم تفکیک شدند و یکی بدون آنها به امری تجربی تبدیل شد
اندازه گیری این جرم در علوم فیزیکی نوین به امری بدیهی تبدیل شده است که راه های متفاوتی برای آن وجود دارد.
جرم "اجرام آسمانی" چگونه اندازه گیری می شود؟ از چگونگی حرکت هر ذره در اطراف زمین، - برای نمونه، سرعت سقوط آن - می توان جرم زمین را تعیین کرد. همین طور از حرکت زمین به دور خورشید جرم خورشید به دست می آید. ستاره های درون کهکشان حدودی به اندازه خورشیدند، پس با جمع کردن جرم آنها جرم کهکشان به دست می آید.
اکنون، اگر ستاره ای به دور کهکشان بگردد، از چگونگی سرعت آن هم می توان جرم کهکشان را به دست آورد. با دو روش متفاوت به نتیجه یکسانی می رسیم. پس چه می شود اگر این دو نتیجه یکی نباشد؟ چالشی برای اخترفیزیک؟ بله همین طور است!
در سال 1313 (1934) "فریتس تسویکی" ستاره شناس آمریکایی سوییسی تبار با تحلیل داده های رصدی مربوط به مجموعه های کهکشانی به این نتیجه رسید که ماده موجود در این مجموعه ها حدود 10 برابر ماده مرئی آنهاست؛
به عبارت دیگر، ما فقط 10 درصد از ماده این مجموعه ها را می بینیم و بقیه اش را نمی توانیم آشکار کنیم.
تحلیل تسویکی بر پایه اندازه گیری سرعت کهکشان های منفرد مجموعه بود؛ یعنی: اگر ماده نامرئی وجود نداشت، تاکنون اثر مجموعه های کهکشانی از هم پراکنده می شد. این نخستین چالش میان اندازه گیری جرم از طریق شمارش کهکشان ها و نیز از طریق دینامیک – یعنی: حرکت اجرام منفرد در خوشه - بود.
در آغاز، این ماده را "ماده گمشده" نامیدند که اصطلاح درستی نبود. چیزی گم نشده بود و وجود داشت، ولی ما نمی توانستیم ببینیم. از آن رو، از دهه شصت تا هشتاد به مرور اصطلاح "ماده تاریک" متداول شد.
برای کیهان شناسان پرسش های مهم و اساسی به این شرح پیش آمد: ماده تاریک چیست؟ در کجاست؟ چگونه توزیع شده است؟ آیا فقط در مجموعه های کهکشانی است یا درون هر کهکشان هم وجود دارد؟
توجه کنید منظور از ماده تاریک، ماده ای است که جرم آن را از حرکت یا دینامیک استنباط می کنیم، اما نمی توانیم اندازه بگیریم.
"ورا روبین"، منجمی از مؤسسه واشنگتن، در دهه پنجاه شمسی با بررسی حرکت ستاره ها به دور مرکز کهکشان به این نتیجه رسید که بخش مرئی کهکشان ما را مقادیر بسیاری از ماده تاریک پر کرده است؛ زیرا ستاره های دوردست کهکشان – که باید با سرعت کمتری به دور مرکز کهکشان بگردند - با سرعتی در حدود 250 کیلومتر در ثانیه در گردش اند! چه نیرویی جز ماده تاریک آنها را این چنین به گردش درمی آورد؟ محتمل ترین محل وجود ماده تاریک در کهکشان، هاله ای است که کهکشان را در بر گرفته است، ولی آیا ماده تاریک کهکشان ها از همان جنس ماده تاریک کل عالم است؟ نوع این ماده تاریک چیست و کجا پنهان است؟
طبیعی است که بخشی از آن را غبار، گاز و یا ستاره های کوتوله و سیاره ها تشکیل می دهند و همگی از نوع معمول ماده اند که آن را "ماده باریونی" می نامیم.
ممکن نیست همه ماده تاریک به صورت غبار باشد، چون مقادیر عظیم غبار، نور کهکشان های دوردست را تیره و تار می کند. همچنین، عمده ماده تاریک به شکل سیاه چاله یا ستاره نوترونی نیست؛ زیرا در این صورت، ریزش گاز و غبار به این گرداب های گرانشی آن قدر پرتو ایکس تولید می کرد که بخش عمده آن آشکار می شد. پس باید به دنبال نامزدهای دیگری بود. در فهرست این نامزدها به اسامی: کوتوله های قهوه ای، کوتوله های سیاه، سیاره های مشتری گون و سرانجام ذرات غریب برمی خوریم.
کوتوله های قهوه ای در واقع ستاره های نارس اند؛ نه در جرگه سیاره ای گازی مانند مشتری قرار می گیرند و نه آن قدر بزرگ اند که به ستاره تبدیل شوند. باید تعداد بسیاری از این کوتوله ها کشف شود تا نامزد در خور توجهی برای حل مساله ماده تاریک باشد.
کوتوله های سیاه نقطه پایان حیات ستاره های کم جرم اند، ولی تا ستاره ای به کوتوله سیاه تبدیل شود، باید حدود 10 میلیارد سال بگذرد. عمر کهکشان ما هم در همین حدود است.
آیا در کهکشان ما کوتوله سیاهی پدید آمده است؟ چند درصد کوتوله قهوه ای هست؟ چه تعداد سیاره مشتری گون - که باید آنها را در کنار ستاره مادرشان جست و جو کرد - وجود دارد؟
در 1370 (1990) دو گروه از اخترشناسان به دنبال کشف کوتوله های درون کهکشان خودمان رفتند تا شاید راز ماده تاریک را کشف کنند. این کوتوله ها را اجرام پرجرم فشرده در هاله، یا به اختصار "ماچو" (MACHO) نامیدند.
انتظار اخترشناسان همواره این بود که بتوان اثر گرانشی ماچوها را -که باید در هاله کهکشان ها یافت - رصد کرد.
پاچینسکی در سال 1360 (1980) مطرح کرده بود که شاید بتوان اثر ریز همگرایی این ستاره ها را دید.
می دانیم میدان گرانشی هر جرم فشرده، نوری را که از چشمه ای در پشت آن می آید، منحرف می کند؛ همان گونه که عدسی اپتیکی عمل می کند. این اثر را "همگرایی گرانشی" و جسمی را که سبب همگرایی می شود، "عدسی گرانشی" می نامند.
هر مجموعه کهکشانی ممکن است برای نور اختروشی که از فواصل کیهانی دور می آید، همچون عدسی عمل کند. هر یک از کهکشان های این مجموعه ممکن است نقش عدسی را داشته باشند که در این صورت از ریز همگرایی صحبت می شود. گاهی این نقش را ستاره های یک کهکشان دارند. برای نمونه، تصور کنید ستاره ای از ابر بزرگ ماژلان را رصد می کنیم. نور این ستاره برای رسیدن به ما از میان هاله کهکشان خودمان می گذرد.
اگر تصادفی ستاره کوتوله ای بدون نور در هاله کهکشان (یک ماچو) سر راه آن نور قرار گیرد، سبب هم گرایی نور این ستاره می شود. محاسبات نشان داده است که به سبب این ریز همگرایی، نور ستاره شدت می یابد. پس در این صورت باید تغییر نور ستاره را مشاهده کرد. بدون این که خود ماچو دیده شود. شدت افزایش نور بیش از 30 درصد است؛ البته ستاره های متغیر زیادند، اما افزایش نور ناشی از همگرایی مستقل از طول موج یا رنگ است؛ زیرا به ساز و کار درون ستاره ارتباط ندارد و تنها یک بار رخ می دهد و سپس نور ستاره به شدت پیشین خود برمی گردد.
مجموع دوره افزایش حدود یک تا دو ماه است. این رویدادها بسیار نادرند.
تخمین ها نشان می دهد که در هر زمان از میان دو میلیون ستاره فقط یک ریز همگرایی وجود دارد؛ به همین سبب گروه هایی که به دنبال این کشف بودند، لازم بود میلیون ها ستاره را نورسنجی کنند.
نورسنجی ده ها میلیون ستاره کاری نیست که بتوان دستی انجام داد که چالشی برای این گروه های رصد است. آنان روش های رصدی و نرم افزاری پرقدرتی برای رصد میلیون ها ستاره را در مدتی کوتاه ابداع کردند و توانستند در کنار جست و جوی ماچوها ستاره های متغیر جالب بسیاری کشف کنند.
نتیجه این رصدها نشان داد که ماچوها نقشی در ماده تاریک ندارند و حداکثر 5 درصد از آن را تشکیل می دهند.
پس به نظر می رسد که ماده تاریک نمی تواند از نوع باریونی، یعنی اتم های معمولی و پروتون و نوترون باشد.
نظریه های مربوط به آفرینش عناصر شیمیایی در عالم را "نظریه های ذره زایی و هسته زایی" می نامند که به هنگام مهبانگ فقط حدود 4 درصد از چگالی بی بعد شده عالم را می توان به حساب باریون ها گذاشت، پس باقیمانده این ماده غریب چیست؟ ذرات شناسان و کیهان شناسان ذره های غریبی را پیشنهاد کرده اند و آنها را دو دسته می کنند: ذرات با سرعت زیاد که ماده تاریک گرم را تشکیل می دهند؛ و ذرات با سرعت کم که تشکیل دهنده ماده تاریک سردند.
نامزد اصلی ماده تاریک گرم نوترینو است: ذره ای بنیادی که جرم سکون آن غیر از صفر و حدودی برابر با چند الکترون ولت است.
در همان سال، کیهان شناسان نشان دادند اگر ماده تاریک از جنس گرم باشد، ساختارهایی که در کیهان می بینیم، نمی توانست تشکیل شود. به علت این تناقض با تشکیل ساختار، ماده تاریک گرم کنار گذاشته شد، حال آن که ماده تاریک سرد چیست؟
ماده تاریک سرد بیشتر غریب و ناآشناست، مانند: آکسیون، نوترالینو و ویمپ (مخفف عبارتی به معنای پرجرم یا بر هم کنش ضعیف). هیچ یک از این ذره های فرضی تاکنون آشکار نشده اند، گرچه چند ادعا در سال های اخیر مطرح شده است.
هر فرضی درباره ماده تاریک، علاوه بر این که باید با نظریه های فیزیک ذرات سازگار باشد، روی ایجاد ساختارهایی مانند کهکشان ها و خوشه ها تاثیر می گذارد؛ پس باید با رصد هم سازگار باشد.
تا سال 1378 (1999) تصور می شد به جز 4 درصد ماده روشن، 96 درصد ماده عالم با فرض 1= باید تاریک باشد. اکنون می دانیم که فقط 26 درصد ماده تاریک است و بقیه گرچه تاریک است، اما ویژگی عجیبی دارد که دیگر نمی توان آن را ماده تاریک نامید و به همین سبب آن را "انرژی تاریک" نامیدند.
در چند دهه اخیر چندان به گشایش این راز کمکی نشده است، جز این که می دانیم ماده تاریک گرم نیست، از جنس نوترینو نیست و این که فقط 26 درصد ماده عالم را تشکیل می دهد؛ پس ماده تاریک چیست؟ آیا ممکن است نظریه های دینامیکی ما، نسبیت عام، اشکال داشته باشد؟ آیا ممکن است تعبیر و نوع بکارگیری معادله های دینامیکی اشکال داشته باشد؟ آیا هنوز ذراتی مانند ویمپ وجود دارند که ماده تاریک از آنها تشکیل شده باشد؟ آیا شتابگر بزرگ LHC به حل این معما کمک می کند؟ نکند اشتباهی اساسی در تعریف جرم، این مشکل را در ماده تاریک به وجود آورده باشد؟
تا زمانی که این معما حل نشده است، شاید هنوز بتوان حدس های دیگری زد؛ حدسی موفق است که در نهایت راز را بگشاید، شما حدسی دارید؟

منبع: نجوم، شماره 197؛ راسخون
تهیه و تنظیم: محمدرضا رزاق

نقل از گروه پیان نما

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات