رمز و راز جرم گم‌شده عالم؛ ماده تاریک چیست؟

جهانگردی را در نظر بگیرید که سوار بر یک کشتی یخ‌شکن به جنوبگان سفر می‌کند و کوه‌های یخ عظیمی را می‌بیند که سر از آب درآورده‌اند. او می‌داند آن چه که در مقابل چشمانش قرار گرفته تنها بخش کوچکی از کوه یخ است که بالاتر از سطح آب قرار دارد و عظمت واقعی کوه یخ در اصل در زیر آب و دور از چشمان او است. در چند دهه اخیر اخترشناسان نیز متوجه شده‌اند که تمام آن چه که با کمک ابزارهای رصدی پیشرفته‌شان می‌بینند درست مثل نوک کوه یخی در اقیانوس است که بخش بسیار بزرگی از آن، یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک، را نمی‌بینیم، اما می‌دانیم که وجود دارد.

بر اساس نظریات و مدل‌های کیهان‌شناسیْ ستاره‌ها، سیارات، کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و در کل هر چه که با کمک تلسکوپ‌های مختلف می‌بینیم تنها پنج درصد عالم را تشکیل داده است. سهم باقی‌مانده مربوط به انرژی تاریک و ماده تاریک است که هنوز هیچ راهی برای مشاهده‌شان پیدا نکرده‌ایم اما اثرات آن‌ها را به وضوح می‌بینیم. در این مطلب به سراغ ماده تاریک می‌رویم که ۲۷ درصد عالم از آن تشکیل شده است.

در فیزیک هر چیزی که با نیروی گرانش برهم‌کنش داشته باشد ماده نامیده می‌شود. نوع آشنای ماده برای ما ماده باریونی است که از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده. این نوع از ماده با نور برهم‌کنش دارد و ما می‌توانیم از طریق امواج الکترومغناطیس آن را مشاهده کنیم. در واقع تمام آن‌چه که با کمک تلسکوپ‌ها و در طیف‌های مختلف امواج الکترومغناطیس می‌بینیم از ماده باریونی ساخته شده است.

اما شواهد نشان می‌دهد که ماده باریونی که امکان رصد آن را داریم تنها بخش کوچکی از عالم را تشکیل داده و بیشتر ماده موجود در عالم چیزی است که از دید ما و ابزار‌های‌مان پنهان است.

ماده تاریک برهم‌کنشی با نور ندارد اما درست مانند ماده معمولی می‌توان تاثیرات گرانشی آن را مشاهده کرد. ورا روبین، اخترشناس آمریکایی، در دهه‌ ۱۹۷۰ میلادی با بررسی حرکت ستاره‌ها در کهکشان‌ها پی برد که سرعت حرکت ستاره‌ها به دور مرکز کهکشان بسیار بیشتر از انتظار است. در واقع ماده عادی موجود در کهکشان و نیروی گرانش حاصل از آن برای توضیح سرعت بالای حرکت ستاره‌ها کافی نبود.

نمودار سرعت چرخش ستاره‌ها به دور مرکز کهکشان نسبت به فاصله‌شان از مرکز کهکشان. رصدها نشان می‌دهند سرعت چرخش ستاره‌ها بسیار بیشتر از چیزی است که محاسبات نشان می‌دهند (نمودار قرمز).
Credit: Queens Uni

پس از پژوهش‌های ورا روبین مفهوم ماده تاریک به شکل جدی وارد دنیای کیهان‌شناسی شد. نوع خاص و عجیبی از ماده که تاثیرات گرانشی آن قابل مشاهده بود اما هیچ نشانی از آن در طیف الکترومغناطیس دیده نمی‌شد.

نتایج رصدهای اخترشناسان نشان می‌دهد سرعت حرکت ستاره‌های نواحی بیرونی برخی از کهکشان‌ها به اندازه‌ای زیاد است که بدون وجود ماده تاریک احتمالا این کهکشان‌ها متلاشی می‌شدند. هر چند که در سال‌های اخیر اخترشناسان کهکشان‌هایی را یافته‌اند که به نظر ماده تاریک در آن‌ها وجود ندارد. این نکته مسئله ماده تاریک را پیچیده‌تر از قبل کرده است.

اما شواهد مهم دیگری نیز از وجود ماده تاریک موجود است. تلسکوپ هابل با رصد عدسی‌های گرانشی توانست نشانه‌های مهمی را از وجود ماده تاریک ثبت کند. در این پدیده نور اجرام دوردست بر اثر گذر از میان میدان گرانشی قوی تقویت و خمیده می‌شود. در واقع نقش گرانش در این پدیده شبیه به یک عدسی است. هابل در سال ۱۹۹۷ نور خمیده‌شده‌ی یک خوشه کهکشانی دوردست را رصد کرد که بر اثر نیروی گرانش یک خوشه کهکشانی در پیش‌زمینه ایجاد شده بود. محاسبات دانشمندان نشان داد که برای توضیح چگونگی خمیده شدن نور جرم خوشه کهکشانی پیش‌زمینه باید ۲۵۰ برابر جرم قابل مشاهده آن باشد. و این جرم گم‌شده چیزی نیست جز ماده تاریک.

عدسی گرانشی خوشه کهکشانی

تصویر تلسکوپ هابل از یک خوشه کهکشانی. نور کهکشان‌های دوردست بر اثر پدیده عدسی گرانشی تقویت و خمیده شده است. خطوط خمیده‌ای که در تصویر دیده می‌شوند در واقع کهکشان‌های پس‌زمینه هستند.
Credit: ESA/Hubble & NASA, M. Gladders et al.
Acknowledgement: Judy Schmidt

شواهد مربوط به ماده تاریک به این موارد محدود نمی‌شود و دانشمندان به شکل‌های مختلفی تاثیرات گرانشی ماده تاریک را مشاهده کرده‌اند. اکنون سوال اصلی پیش روی پژوهشگران این است که ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده؟

تا کنون فرضیات مختلفی برای پاسخ به این سوال مطرح شده است. گروهی از پژوهشگران این احتمال را مطرح کرده‌اند که ماده تاریک در واقع همان ماده عادی یا باریونی است. به عقیده این پژوهشگران اجرام آسمانی خاصی که تابش بسیار کمی دارند و رصد آن‌ها به آسانی ممکن نیست همان جرم گم‌شده عالم هستند. اجرامی مانند کوتوله‌های قهوه‌ای، سیاهچاله‌ها، ستاره‌های نوترونی و موارد مشابه دیگری که با عنوان اجرام هاله‌ای فشرده پرجرم شناخته می‌شوند.

برخی از دانشمندان نیز بر این باورند که مسئله ماده تاریک ریشه در مشکلاتی در نظریه‌های ما دارد و در تلاش‌اند تا با مدل‌ها و نظریه‌های جایگزین و اصلاح‌شده این مسئله را حل کنند.

اما بیشتر پژوهشگران عقیده دارند ماده تاریک از جنس ماده باریونی نیست و از ذرات دیگری تشکیل شده است. یکی از گزینه‌ها ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعیف است که به اختصار WIMPs نامیده می‌شوند. بر اساس فرضیه‌های ارائه شده جرم این ذرات چیزی بین یک تا هزار برابر جرم پروتون است و برهم‌کنش ضعیف آن‌ها با ماده معمولی آشکارسازی آن‌ها را بسیار مشکل می‌کند. در تئوری‌های مختلف ذرات پیشنهادی دیگری نیز برای توضیح جرم گم‌شده عالم مطرح شده‌ است که البته دانشمندان تا کنون موفق به آشکازسازی هیچ کدام از آن‌ها نشده‌اند.

پژوهشگران در سال‌های اخیر تلاش کرده‌اند تا با انجام آزمایش‌های مختلف به ماهیت ماده تاریک پی ببرند. آشکارساز ذرات AMS در ایستگاه فضایی بین‌المللی، آزمایشگاه زیرزمینی LUX در آمریکا و رصدخانه نوترینوی IceCube در قطب جنوب تنها بخشی از تلاش‌های دانشمندان برای ثبت ذرات احتمالی تشکیل‌دهنده ماده تاریک بوده است. تلاش‌هایی که برای حل معمای ماده تاریک کافی نبوده و در سال‌های آینده همچنان ادامه خواهد داشت.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *