کیهان شناسی که علم مطالعه آغاز، شکل گیری و تکامل عالم ا ست هنوز نمی داند 99% عالم را چه چیز تشکیل داده است. به نظر می رسد جز غیر قابل مشاهده ای قسمت اعظم عالم را تشکیل داده است که قابل شناسایی نیست. این ماده واقعا چیست؟ چگونه آن را بشناسیم؟

اثبات وجود ماده تاریک

جاذبه دلیل وجود ماده تاریک

وجود یک پدیده را از دو روش می توان اثبات کرد:مشاهده مستقیم پدیده یا مشاهده تاثیر آن بر پدیده هایی که راحت تر مشاهده می شوند.

این مطلب که در آسمان شب چیزهایی هست که به راحتی دیده نمی شود و همیشه مورد توجه بوده است. هنگام استفاده از تلسکوپ یا رادیو تلسکوپ فقط اشیایی رصد می شوند که از خود نور یا امواج رادیویی گسیل می کنند. اما هر پدیده ای این خصوصیات را ندارد حتی سیاره خودمان زمین نیز به علت

تاریکی بیش از حد قابل مشاهده نیست

خوشه های کهکشانی

مقدار قابل توجهی ماده در بررسی خوشه های کهکشانی وجود دارد که ما نمی توانیم به آسانی آنها را ببینیم. خوشه های که از تجمع چند صد تا چند هزار کهکشان یا کهکشان های تک در فضا بوجود آمده اند. در دهه 1930، دو خوشه تقریبا نزدیک به هم را از لحاظکهکشان های تشکیل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسی قرار دادند، و سرعتی که بدست آوردند چیزی بین 10 تا 100 برابر مقداری بود که انتظار داشتند.

معنی این چیست؟ در یک گروه از کهکشان ها مثل خوشه تنها نیروی موثر بر کهکشان ها گرانش است و این گرانش اثر کششی کهکشان ها بر یکدیگر است که باعث بالا رفتن سرعت آنها می شود.
سرعت می تواند مقدار ماده موجود در کهکشان را به دو طریق مشخص کند:

جرم خوشه ها

جرم بیشتر کهکشان باعث می شود نیروی شتاب دهنده به کهکشان نیز بیشتر شود.

شتاب و سرعت خوشه ها

اگر شتاب یک کهکشان خیلی زیاد باشد می تواند از میدان جاذبه خوشه خارج شود. اگر شتاب کهکشان بیش از سرعت فرار باشد، خوشه را ترک خواهد کرد. به این ترتیب همه کهکشان ها سرعتی پایین تر از سرعت فرار (گریز) خواهند داشت. و با این نگرش می توان جرم کل خوشه را حدس زد که مقدار قابل توجهی از میزان مشاهده شده است. با این حال این نظریه به علت اینکه مبنی بر مشاهده بود و مشاهدات غالبا با اشتباه همراهند مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفت.

هنگامی که چیزی به وسعت یک خوشه کهکشانی نگاه می کنید با اینکه ممکن است سرعت ها زیاد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چیزی به حساب نمی آیند پس مشاهده مداوم یک خوشه در طی چندین سال تصویر یکسانی از آن بدست می دهد. ما نمی توانیم کهکشان هایی را که بدون الگو حرکت می کنند با دقت ببینیم. پس یک کهکشان با سرعت زیاد ممکن است از خوشه جدا شده باشد یا اصلا متعلق به خوشه نباشد. حتی ممکن است بعضی از کهکشان ها فقط مقابل کهکشان های دیگر در راستای خط دید آنها باشند. با این حساب این کهکشان گمراه کننده خواهد بود.

منحنی حرکت انتقالی کهکشان ها

دلایل قابل اعتماد تری در دهه 1970 در پی اندازه گیری منحنی های دوران کهکشان ها ارایه شد. علت قابل اعتماد تر بودن آنها این است که اطلاعات موثق تری در مورد تعداد یشتری کهکشان دست می دهند. از گذشته می دانستیم که کهکشان ها حول مرکز شان دوران دارند درست شبیه به چرخش سیارات به دور خورشید و مانند سیارات از قوانین کپلر پیروی می کنند. این قوانین می گویند سرعت چرخشی حول یک مرکز فقط به فاصله از مرکز و جرم موجود در مدار بستگی دارد.

پس با پیدا کردن سرعت چرخش یک کهکشان می توانیم جرم موجود در کهکشان را محاسبه کنیم. همان طور که در کناره های کهکشان میزان نور به سرعت کم می شود انتظار می رود سرعت چرخش نیز پایین بیاید ولی این اتفاق نمی افتد و سرعت در همان میزانی که محاسبه شده بود ثابت می ماند و این مطلب آشکارا نشان می دهد در کناره های کهکشان جرمی وجود دارد که ما نمی بینیم. این آزمایش در مورد چندین کهکشان حلزونی - از جمله کهکشان راه شیری خودمان - انجام شده و هر بار به همین نتیجه رسیده است. و این محکمترین و بهترین اثبات برای وجود ماده تاریک است

چه میزان ماده تاریک وجود دارد؟

کیهان شناسان میزان موجود در عالم را با پارامتری به نام امگا مورد بحث قرار می دهند. در یک عالم بسته یعنی عالمی که جرم آن در حدی است که عاقبت در خود فرو می ریزد امگا بیش از 1 تعریف می شود. در یک عالم باز یعنی عالمی که تا ابد اجزای آن در حال دور شدن از یکدیگر هستند امگا کمتر از 1 است و یک عالم مسطح به طور ایده آل امگایی برابر 1 خواهد داشت.

میزان ماده قابل مشاهده موجود در عالم در حدود 0.05 = امگا است و به هیچ وجه بیش از آن نمی باشند. نظریه پردازان مایلند امگای عالم را چیزی 1 در حدود در نظر بگیرند به آن معنی که ماده تاریک 0.95 = امگا یا 95% عالم را تشکیل داده است. اما در صورتی که واقع بینانه تر نگاه کنیم می بینیم که دانشمندان دلیلی برای بیشتر بودن اندازه امگا از 0.4 ندارند با این حساب میزان ماده تاریک 0.35 امگا خواهد بود که 88% جرم عالم است. می بینیم که 88% عالممان کاملا ناشناخته است!

مواد تشکیل دهنده ماده تاریک

ماده معمول سیارات

ماده تاریک ممکن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشکیل شده باشد، ولی سیاراتی مثل زمین به اندازه کافی جرم ندارند، پس ممکن است ژوپیترها تشکیل دهنده ماده تاریک باشند.

اما این نظریه چندین مشکل دارد، اول اینکه ما فرض کرده ایم سیارات فقط در اطراف ستارگان شکل گرفته اند، بنا بر این ستارگان به میزان بسیار کمی جرم آن ها را بالا می برند. با این حساب امگا = 0.005 خواهد بود که برای تشکیل دادن 88% جرم عالم کافی نیست.

دومین و مهمترین مشکل از ترکیب هسته ای مهبانگ ناشی می شود. در لحظه تولد عالم وقتی مهبانگ رخ داد عالم ماده ای بسیار گرم تشکیل شده از انواع ذرات بود، در حالی که عالم بزرگ و بزرگتر و به سردی می گرایید ذرات ماده معمول مثل الکترون، نوترون و پروتون ها نیز سرد می شدند و اتمهای مواد موجود در عالم را تشکیل می دادند. غالب این اتمها مربوط به هلیوم و هیدروژن هستند.

یک تئوری موفق است که نه تنها هیدروژن و هلیوم را به عنوان بیشترین عناصر جهان معرفی می کند بلکه نسبت آنها را نیز به درستی بیان می کند.

اما مسئله ای وجود دارد. مقدار هر ماده ای که تشکیل می شود به میزان ماده معمول تشکیل دهنده اتم (ماده بارنوییک) بستگی دارد و مقدار این ماده را برای عالم کنونی چیزی در حدود امگا = 0.1 پیش بینی می کند.
باید توجه کرد که این میزان ماده بارنوییک برای مواد قابل مشاهده در عالم ما زیاد است در نتیجه مقداری ماده معمول تاریک (از جمله سیارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما این مواد نمی توانند توجیه کننده سرعت خوشه و منحنی دوران آنها باشند.

ستارگان تاریک - ژوپیترها، کوتوبه های قهوه ای، کوتوله های سفید

ماده معمول دیگری که می تواند تشکیل دهنده ماده تاریک باشد ستارگانی هستند که جرم کافی برای سوختن و درخشان شدن ندارند- کوتوله های قهوه ای - یا ژوپیترها - ژوپیترها کوتوله هایی به مراتب (حدود 10 برابر) سنگین تر هستند و به صورت ستارگان بسیار کوچک و کم نور فعالیت دارند. اما این احتمالات مثل سیارات در مقابل با مشکل مواجه می شوند و باز باریون کافی وجود ندارد. احتمال این نیز می رود که نظریه اشتباه باشد ولی چون این نظریه تا کنون بسیار موفق بوده است به دنبال انتخاب های دیگری برای ماده تاریک هستیم.

ماده عجیب

این ماده آنقدر ها هم عجیب نیست فقط ماده ای است که الکترون، نوترون و پروتون ندارد. بسیاری از چنین ذرات شناخته شده اند و چند مورد از آن ها در حد تئوری هستند تا بتوان مشکل ماده تاریک را حل کرد.

نوترینوها

نوترینوها ذرات بدون جرمی هستند که وجودشان ثابت شده و لی دلایلی وجود دارد که نشان داده گاهی اوقات جرم بسیار کوچکی دارند. در عالم مقدار بسیار زیادی از این ذرات وجود دارد، با این حال حتی یک جرم بسیار کوچک تر برای ماده تاریک پر اهمیت است. جرمی به اندازه 1/5000 جرم الکترون، امگایی به اندازه 1 بدست می دهد.

ویمپ ها (WIMPs)

بیشتر انتخاب های ماده عجیت در دسته ویمپ ها قرار می گیرند. ویمپ ها دسته ای از ذرات سنگین هستند که به سختی با ذرات دیگر واکنش می دهند از این ذرات می توان در تراسنیو ها و آکسیون ها را نام برد.

جستجوي ماده تاريك با نقشه جرمي

ستاره شناسان يك "نقشه جرمي" از يكي از عظيم ترين ساختمان هاي موجود در كيهان تهيه كرده اند كه نشان مي دهد جهان چيزي بس فراتر از ستارگان تابناك و سحاب هاي آسماني است.

اين شي يك خوشه دورافتاده از كهكشان هاي حاوي "ماده تاريك" است. "ماده تاريك" يك عنصر ناشناخته و نامرئي است كه بخش اعظم جرم جهان را تشكيل مي دهد.

اين نقشه نشان مي دهد كه توزيع ماده تاريك در كيهان عمدتا همانند نحوه توزيع ستارگان و سحاب هاي آسماني است.

پژوهشگران بر اين باورند كه اين نقشه به درك بهتر اين ماده مرموز كمك خواهد كرد، با اين حال بعيد است به شناسايي ماهيت واقعي آن ياري برساند.

اينجا، آنجا، همه جا

خوشه هاي كهكشاني پايدارترين و عظيم ترين منظومه ها در كيهان هستند. اين خوشه ها نه تنها حاوي ستارگان، گازها و غبار بلكه همچنين شامل پديده ناشناخته ديگري هستند كه ستاره شناسان از ماهيت آن خبر ندارند.

آنها وجود اين "ماده تاريك" يا جرم نامرئي را از تاثير نيروي جاذبه آن بر حركات ستارگان و كهكشان ها استنباط مي كنند، اما چون هرگز آن را نديده اند نمي دانند چگونه چيزي است.

ماده تاريك حدود 80 تا 85 درصد جرم جهان را تشكيل مي دهد. بسياري از اشيايي آسماني از جمله ستارگاني كه عمرشان به پايان رسيده تا مجموعه اي از ذرات زير مجموعه اتم ها به عضويت در اين بعد از كيهان مظنون هستند.

يك گروه از اخترشناسان بين المللي با استفاده از تلسكوپ هابل در تلاشي براي پي بردن به نحوه توزيع اين ماده تاريك به تهيه يك نقشه منحصر به فرد "جرمي" از خوشه هاي كهكشاني پرداختند.

اين نقشه به دانشمندان امكان داد نحوه توزيع ماده تاريك در مقايسه با توزيع كهكشان هاي موجود در اين خوشه را مشاهده كنند.

محققان براي تهيه اين نقشه به كهكشان هاي دوردست تر كه پشت اين خوشه قرار داشتند نظر افكندند و مشاهده كردند كه تصوير اين كهكشان ها در اثر نيروي جاذبه اين خوشه از حالت طبيعي خارج مي شود.

چگونگي اين تغييرات اطلاعاتي درباره جرم نامرئي اين خوشه در اختيار دانشمندان گذاشته است.

اين پروژه طي بيش از 120 ساعت رصد انجام شد. اين بيشترين زماني است كه هابل تاكنون صرف مطالعه يك خوشه كهكشاني كرده است.

اين تحقيقات به جامع ترين مطالعه درباره توزيع ماده تاريك در يك خوشه كهكشاني منجر شده است.

اين نقشه چنانكه انتظار مي رفت آشكار مي كند كه جرم ماده تاريك با دور شدن از مركز خوشه به سرعت افت مي كند.

خبرهای اخیر درباره ماده تاریک milky way

دانشمندان تصور میکنند که مقداری از ماده اسرار آمیز تاریک را درمرکز کهکشان راه شیری یافته اند.

تابش ریز موج اضافی از مرکز راه شیری ، ممکن است به وجود ماده تاریک مربوط شود. البته داگلاس فینکبینر، ستاره شناس دانشگاه پرینستون ، چندان درمورد چیزی که درمرکزکهکشان باعث این تابش اضافی می شود ، مطمئن نیست. او یافته های جدید خود را در مجله منتشر کرد. او پیشنهاد کرده است که به این منظورباید تابش ریزموج کیهانی ، مورد مطالعه قرارگیرد.این تابش بازمانده انفجار بزرگ است وبا مطالعه آن می توانیم اطلاعات خود را درباره لحظات آغازعالم کاملتر کنیم. در حال حاضر تیم ، WMAP ، درحال مطالعه میزان ناهمسانگردی این تابش می باشد . این تیم درحین مشاهدات خود مواظب هستند که سیگنالهای زمینی با سیگنالهای کیهانی مخلوط نشوند . آنها معتقدند که منشأ امواج ریزموج غیرکیهانی، می توانداز هیدروژن یونیزه درقلب کهکشان خودمان، غبارمیان ستاره ای ویا ازالکترونهای پرسرعت دربقایای ابرنواخترها باشد.

او با استفاده ازمطالعات این تیم دراطراف قلب کهکشان، تابشهایی شبیه تابش اتم های هیدروژن یونیزه پیدا کرد ولی مقدار آن زیاد نبود . این تابش همچنین شبیه تابش الکترونهای پر سرعت درمیدان مغناطیسی است, اما آنها مجبورند سرعت هایی نزدیک سرعت نورداشته باشند . وی طی ارائه یک مقاله در ادینبرگ اسکاتلند،در ماه سپتامبر، عنوان کرد که ممکن است نشانه هایی ازماده تاریک را یافته باشد

ماده تشکیل دهنده ماده تاریک نمی تواند خیلی زیاد با ماده معمولی اندرکنش داشته باشد. اما دراینجایک شکافی وجود دارد . بعضی از این ذرات می توانند با یکدیگراندرکنش داشته باشند و حتی یکدیگررا نابود کنند. زمانی که الکترون ها با پاد ذره خود، پوزیترون ، برخورد کنند هردو ذرات دریک فرایند تولید پرتو گاما نابود می شوند. بدین ترتیب بعضی از کاندیداهای ماده تاریک ممکن است پادماده ها باشند. سبکترین ذره پایدارکه نظریه ابرتقارن آن را بعنوان کاندیدای ماده تاریک معرفی می کند ، ذره ای بنام « نوترالینو» می باشد . با نابودی نوترا لینوها ذرات دیگری بوجود می آیند - همانند پایون ها ، الکترون ها و پوزیترون ها - که می توانند به سرعت های بالا دسترسی پیدا کنند . وقتی این ذرات پرسرعت از داخل میدان مغناطیسی عبور کنند از خود تابش سینکروترون - دقیقا همان تابشی که تیم WMAP آشکارکردند - گسیل می کنند .این الکترون ها وپوزیترون ها همچنین با نورستارگان وتابش پس زمینه کیهانی برخورد می کنند وفوتون ها را به ترازهای انرژی بالاترمی برند به طوری که ما پرتوهای ایکس وگاما مشاهده می کنیم . پرتوهای گاما با این طول موج های خاص باید توسط تلسکوپ فضایی که درسال 2006م به فضا پرتاب خواهد شد آشکار شوند. چنانچه این پرتوها آشکارشوند قدم بسیارمهمی درراه شناخت ماده تاریک برداشته شده است

اولین کهکشان ماده تاریک کشف شد

ستاره شناسان انگلیسی معتقدند که توانسته اند با استفاده از یک رادیو تلسکوپ یک کهکشان متشکل از ماده تاریک را کشف کنند .

آنها معتقد این کهکشان غیر قابل مشاهده ، بطور کامل از ماده تاریک تشکیل شده است . یک کهکشان تاریک ، ناحیه ای از جهان که دارای مقادیر زیادی از ماده که به شکل یک کهکشان می چرخد ، می باشد ولی در آن هیچ ستاره ای رؤیت نمی شود . این ناحیه تنها توسط یک رادیو تلسکوپ قابل رؤیت است . کهکشان مذکور برای اولین بار با تلسکوپ دانشگاه منچستر لوول رصد شد و صحت آن با تلسکوپ آرسیبو در پورتوریکو تآیید شد . تصور می شود که این ماده ناشناخته کهکشان، همان ماده تاریک باشد .

دکتر دیویس ، یکی از اعضإ تیم دانشگاه کاردیف ، می گوید :« جهان رازهای بسیاری دارد اما این کشف بسیار مهم نشان می دهد که ما در این که چگونه به درستی باید به عالم نگاه کرد مبتدی هستیم .»

یک تیم بین المللی از اوکراین ، فرانسه ، ایتالیا و استرالیا در حال تحقیق بر روی کهکشان های تاریک هستند . آنها توزیع اتم های هیدروژن در ساسر عالم را مورد بررسی قرار داده اند . گاز هیدروژن تابش هایی از خود گسیل می کند که در طول موج های رادیویی قابل رؤیت است . این تیم در خوشه کهکشانی سنبله ، که حدود 50 میلیون سال نوری از ما فاصله دارد ، جسمی هیدروژنی که در حدود 100 میلیون برابر خورشید جرم دارد کشف کرده اند .دکتر رابرت مینچین ، از دانشگاه کاردیف ، می گوید: « ما از سرعت چرخشVIRGOHI21 دریافتیم که این جسم هزاران هزار بار سنگین تر از مقداری است که می توانیم برای هیدروژن تنها در نظر بگیریم . اگراین یک کهکشان معمولی بود می بایستی کاملا درخشان وقابل رؤیت با یک تلسکوپ آماتوری باشد.ولی اینچنین نیست.»

معمای ماده تاریک این است که وقتی ستاره شناسان از یک طرف سرعت دورانی یک کهکشان و از طرف دیگر جرم آن را محاسبه می کنند این دو مقدار اصلا با هم همخوانی ندارند . به عبارت دیگر جرم اندازه گیری شده نمی تواند یکچنین سرعت چرخشی را ایجاد کند و باید مقادیر زیادی از جرم که به دلایل نامعلوم غیر قابل رؤیت است در کنار جرم مرئی وجود داشته باشد تا در نتیجه چنین سرعت دورانی حاصل شود . این کهکشان های تاریک بنظر ، می رسند در زمانی که چگالی ماده کهکشانی برای تشکیل ستاره هاکم بوده ، شکل گرفته اند. به هر حال تیم کاردیف امیدوارند که مشاهدات شان بخش ناپیدای جهان هستی را آشکار کند

نویسنده : مهدی اسحاقی

هاله های ماده تاریک ، اولین اجسام بودند

طبق آخرین مطالعات چاپ شده در مجله نیچر توسط ستاره شناسان دانشگاه زوریخ ، حدس زده می شود که هاله های ماده تاریک در ابعاد منظومه شمسی اما با جرمی در حدود جرم زمین ، اولین اجسام تشکیل شده پس از انفجار بزرگ می باشند .

کهکشان ما هنوز میلیاردها از این هاله ها را در بر دارد که هر چند هزار سال یکبار از کنار زمین عبور می کنند و ردپای آنها از روی دنباله اشعه گاما مشخص می شود .

پروفسور بن مور از انستیتو فیزیک نظری دانشگاه زور یخ می گوید : « این هاله ها جذب کننده های گرانشی بودند که ماده معمولی را به خود جذب می کردند و نقش مهمی درتشکیل ستاره ها و کهکشان ها بازی می کردند . این ساختارها که سنگ بنای اولیه هر آنچه که امروزه می بینیم می باشند ، در حدود 20 میلیارد سال پیش شروع به شکل گیری کردند . »

ماده تاریک ،که هنوز ماهیت آن معلوم نیست ، حدود 80% جرم عالم را تشکیل می دهد . بنظر می رسد ماهیتش با ماهیت اتمهای اطراف ما فرق می کند و ما فقط از روی اثر گرانشی اش به حقیقت آن پی می بریم .

کاندیدایی که ستاره شناسان دانشگاه زوریخ پیشنهاد کردند ، نوترالینو نام گرفت . دکتر مور می گوید :« تا حدود 20 میلیون سال پس از انفجار بزرگ ، جهان تقریبا همگن بود اما تغییر بسیار کمی در وضعیت تعادلی سیستم باعث شد تا گرانش فرصت تشکیل ساختارهای بزرگی که امروزه قابل مشاهده اند را پیدا کند . بخش های چگال مواد اطراف خودرا جذب کردند وچگال تر شدند و نواحی کم چگال بتدریج مواد خودرا از دست دادند وعاری از ماده شدند . ماده تاریک چاه های گرانشی در فضا ایجاد کرد و ماده معمولی را به درون این چاه ها کشید .

نوترالینو ها کاندیدای مناسبی برای " ماده تاریک سرد " می باشند که آهسته حرکت می کنند و می توانند برای تشکیل چاه گرانشی با هم تجمع کنند .اما این ذرات هنوز کشف نشده اند . بهترین مکان برای رؤیت نوترالینو ها هسته کهکشان هاست که چگالی ماده تاریک بسیار بالاست . مأموریتGLAST سازمان ناسا ، که در سال 2007 م پرتاب خواهد شد ، قصد دارد به جستجوی این ذرات بپردازد.

بر گرفته از گروه علمی خبری نابغه های ایران