دشواری های شناخت ماهیت ماده تاریک

گیلید آمیت (Gilead Amit) می گوید انرژی تاریک عجیب تر از آن چیزی باید باشد که تصورش را می کنیم و می تواند تاثیر تعیین کننده ای برای کیهان داشته باشد.

در ادامه شما می توانید مقاله گیلید آمیت را در مجله نیوساینتیست (New Scientist) 6 دسامبر 2017 مطالعه نمایید.

یک قرن پیش از این، جهان (دست کم در ذهن کیهان شناسان) جای آرام و ساکت و پایداری بود. حتی با اینکه صدای غرش توپ ها در جبهه غربی به گوش می رسید و دنیا به درون جنگی تمام عیار غلتیده بود، آلبرت اینشتین مشغول نهایی کردن ریزه کاری های دیدگاهش از یک کیهان کاملاً متعادل بود. اینشتین در مقاله ای که در فوریه 1917 برای فرهنگستان علوم پروس (Prussian Academy of Sciences) فرستاد، به معادلات نسبیت عامِ تازه خود، جزئیاتی اضافه کرد؛ معادله هایی که طراحی شده بودند تا پایداری کامل و همیشگی جهان را تضمین کنند.

امروز اروپا در صلح به سر می برد، اما در جهان همهمه ای بر پا است. مدت ها است که ایده اینشتین از یک کیهان ثابت و بدون تغییر را کنار گذاشته ایم و به جایش سراغ جهانی رفته ایم که نه تنها دائماً در حال انبساط است، بلکه سرعت انبساطش به لطف عامل اسرارآمیزی به نام انرژی تاریک، همواره زیاد می شود. هیچکس نمی داند این انرژی تاریک چه چیزی می تواند باشد، به جز اینکه این انرژی مرموز تشکیل دهنده دو سوم از هر چیزی است که وجود دارد.

شاید حتی این عامل مزاحم هم کافی نباشد. اندازه گیری های تازه از سرعت دور شدن اجزای کیهان نشان می دهد یکی از چیزهایی که فکر می کردیم درباره انرژی تاریک می دانیم، اشتباه بوده است. شاید شبح تازه ای در حال خرامیدن در جهان باشد و این چشم انداز مایه دلسردی کیهان شناسان شده است.

این وضعیت نه فقط منجر به این خواهد شد که جهان با سرعت بیشتر و بیشتری منبسط و در نهایت متلاشی شود، بلکه به این معنا هم است که هیچ کدام از ما از اول هم نمی بایست به وجود می آمدیم. آدام ریس (Adam Riess)، از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور ایالت مریلند آمریکا، می گوید: «اگر به معنای عینی این مسئله دقت کنید، به نتایج بسیار عجیبی خواهید رسید.»

در سال 1915 که اینشتین نظریه نسبیت عام خود را نهایی می کرد، در برابر یک دو راهی قرار گرفت. معادله های او توصیفی زیبا و ظریف از کارکرد کیهانی را به دست می داد که تحت سلطه جاذبه بود. اما اشکال کوچکی در کار بود: جهان به جای آنکه منبسط یا منقبض شود، ثابت و ایستا فرض شده بود و این معادله ها درباره ایستایی جهان چیزی نمی گفتند. راه حل اینشتین یک سرهم بندی کلاسیک بود: عنصر جدیدی به نام «ثابت کیهان شناسی» (cosmological constant) وارد معادله ها شده بود تا انرژی اضافی لازم برای پایدارسازی جهان را تامین کند.

اینشتین هرگز هوادار ابتکار و نوآوری خودش نبود و طولی نکشید که اخترشناسانی به نام ادوین هابل (Edwin Hubble) و میلتون هیومسون (Milton Humason) دلایلی در اختیارش گذاشتند تا ابتکارش را رد کند. در دهه 1920، این دو اخترشناس نشان دادند کهکشان های دوردست در حال دور شدن از کهکشان ما هستند و در نتیجه جهان در حال انبساط است. مشهور است که پس از آن، اینشتین ثابت کیهان شناسی اش را بزرگ ترین اشتباه خود دانست.

یک ثابت بی ثبات

کنار گذاشتن ثابت کیهان شناسی شاید کار مهم تری بوده باشد. در اواخر دهه 1990، ثابت کیهان شناسی پیروزمندانه به صحنه برگشت. ماجرا این بود که دو گروه از اخترشناسان (که رهبری یک گروه به عهده آدام ریس بود)، به کمک نور حاصل از ابرنواخترهایی که در دوردست منفجر شده اند، نشان داده اند انبساط جهان شتاب دار است. وجود انرژی تاریکِ دفع کننده ای که کشش نیروی جاذبه تمام اجرام موجود در جهان هستی را خنثی کند، دیگر مسلم و بی چون و چرا به نظر نمی رسید. راه های متنوعی برای توضیح این نیروی مرموز وجود داشت اما ساده ترین راه استفاده دوباره از ثابت کیهان شناسی بود. با اینکه ثابت کیهان شناسی در اصل برای تامین پایداری جهان در نظر گرفته شده بود، اما با در نظر گرفتن مقداری درست برای آن، می توانست اثری معادل انرژی تاریک ایجاد کند. آخرین مشاهده ها نشان می دهد ثابت کیهان شناسی، هرچه که باشد، می تواند معادلی برای عملکرد 68 درصد از جهان هستی باشد.

این نیروی مرموز چه چیزی می تواند باشد؟ توضیح مورد علاقه اکثر فیزیکدان ها این است که انرژی تاریک، نشان دهنده چگالی انرژی فضا است. بروز و ظهور اثرات کوانتومی بنیادی که حتی در بین فضای خالی بسیار عظیم بین کهکشان ها و منظومه ها فعال است. اما بنابر بهترین تخمین های ما، قدرت این نوسان های کوانتومی 10 به توان 120 مرتبه بیشتر از مقدار لازم برای توضیح دادن سرعت انبساط جهان است. آلساندرو ملکیوری (Alessandro Melchiorri)، استاد دانشگاه رم می گوید: «ثابت کیهان شناسی به شدت مسئله برانگیز است. به لحاظ نظری، هیچ توضیحی برای آن نداریم.»

با این حال، انرژی تاریک و ثابت کیهان شناسی اکنون به عنوان پایه های مدل استاندارد کیهان شناسی جا افتاده اند، مدلی که با عنوان «Lambda-CDM» شناخته می شود که در آن حرف یونانی لاندا علامت ثابت کیهان شناسی و CDM علامت «ماده تاریک سرد» (cold dark matter) است. ماده تاریک سرد هم شکل راکد و مرموزی از ماده است که کهکشان ها را در کنار هم نگه داشته است.

مدل لاندا – سی دی ام طی دو دهه گذشته، خودش را به طرزی قابل توجه قدرتمند نشان داده است و توانسته همه جنبه های چشم انداز رو به رشدمان از کیهان را توضیح دهد. اما ظرف چند سال گذشته، شکاف هایی در این مدل ظاهر شده است که امکان دارد که این عمارت را فرو بریزد.

این شکاف ها در قالب تفاوت هایی بین مشاهده های کیهانی امروز و تخمین مدل لاندا – سی دی ام از جهان امروز بر اساس برون یابی های کیهان اولیه ظاهر شده اند. مهم ترین اختلاف به سرعت انبساط کنونی جهان مربوط می شود. این عدد به نام «ثابت هابل» شناخته می شود. تا همین اواخر، عدد پذیرفته شده، عددی بود که ماهواره پلانک (Planck) متعلق به سازمان فضایی اروپا در اختیارمان گذاشته بود. ماهواره پلانک برای محاسبه این مقدار، نور «مه بانگ» یا همان «بیگ بنگ» را 380 هزار سال پس از آن رویداد بزرگ رصد کرده است. دقیق ترین اندازه گیری هایی که تاکنون از تابش پس زمینه کیهانی صورت گرفته، درک و فهمی بی مانند از نخستین لحظه های قابل دیدن کیهان فراهم کرده است.

پژوهشگران به کمک این داده ها الگوهای موجود در تابش پس زمینه ای کیهانی را یافته اند و تا 13 میلیارد سال امتداد داده اند تا به عددی برای شتاب انبساط کنونی جهان برسند: 67.3 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک.

عددهایی که از ماهواره پلانک به دست آمده اند، به خوبی با مشاهده های اخیر از کیهان همخوانی دارند. ملکیوری می گوید: «این داده ها کمابیش با یک ثابت کیهان شناسی مطابقت دارند.» اما استفاده از الگوهای مربوط به تابش پس زمینه ای کیهان تنها راه برای محاسبه ثابت هابل نیست. از همان زمان هابل، اخترشناسان این ثابت را با استفاده از نور ستاره ها کهکشان های دوردست محاسبه کرده اند. برخی ستاره های مشخص که به عنوان شمع های استاندارد شناخته می شوند، مقدار حدس پذیری از انرژی را ساطع می کنند که امکان سنجش دقیق فاصله ها را در فضای نزدیک شان فراهم می کند. رصد کردن همه کهکشان ها این امکان را ایجاد می کند که با تکنیکی به نام نردبان فاصله کیهانی، محاسبه فواصل کیهانی را پیش ببریم.

ریس، طی دهه گذشته رهبری گروهی را بر عهده داشته است که مشغول تنظیم و گسترش این نردبان بوده است. در سال 2011 که ریس نخستین نتایجش را منتشر کرد، عدم قطعیت های اندازه گیری او و اعداد به دست آمده از داده های پلانک به قدری بود که ناسازگاری ایجاد نکند. اما از آن به بعد، عدم قطعیت ها کاهش یافته است و عددهای به دست آمده از یکدیگر دور شده اند. آخرین اندازه گیری ریس ثابت هابل را با 99.9 درصد دقت، 73.2 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک به دست آورده که با داده های پلانک سازگار نیست. ریس می گوید: «این حد از ناسازگاری بسیار جدی است.»

این احتمال وجود دارد که با بررسی بیشتر داده ها، این ناسازگاری رفع شود یا اشتباه آماری باشد. اما این مورد تنها چیزی نیست که کیهان شناسان را نگران کرده است.

تهدید شبح

کاترین هیمنز (Catherine Heymans) استاد دانشگاه ادینبرا، روی پروژه ای به نام Kilo-Degree Survey کار می کند که کوششی است برای نقشه برداری از فضای گسترده آسمان. این پروژه بر اساس تکنیکی به نام weak lensing است که در آن، چگونگی خم شدن نور در نزدیکی تجمع های ماده بررسی می شود. مشاهده های آنها، یکی دیگر از پیش بینی های مدل لاندا – سی دی ام را محدود می کند: نحوه انباشته شدن ماده تاریک در کیهان. آخرین تحلیل های این گروه که امسال منتشر شد، مقداری را به دست می دهد که به شکل قابل توجهی با پیش بینی پلانک تفاوت دارد و بر اساس آن، توزیع ماده تاریک در کیهان، بسیار یکنواخت تر از حد انتظار است. هیمنز به خاطر می آورد در سال 2012 که این نتایج ناسازگار را گزارش می داد، جرج افستاتیو (George Efstathiou) از چهره های ارشد گروه پلانک، که همیشه در ردیف اول می نشست، دستش را بالا برد و گفت: «کاترین، می توانی به حاضران بگویی کجای کار شما اشتباه بوده است؟» هیمنز ادامه می دهد: «اما من جرات آن را نداشتم که بگویم: جرج، خودت می توانی بگویی کجای کار گروه شما اشتباه بوده است؟» شاید هیچکس کار اشتباهی انجام نداده باشد. طی قرن گذشته، از ثابت و ایستا فرض کردن جهان، به تصور جهانی با سرعت انبساط ثابت و از آن به جهانی که سرعت انبساطش با نرخ معینی در حال رشد است، رسیده ایم. شهاب جودکی از دانشگاه آکسفورد و همکار کاترین هیمنز می گوید ساده ترین راه برای برطرف کردن تنش های مدل لاندا – سی دی ام این است که گام دیگری به جلو برداریم و این فرض را کنار بگذاریم که چگالی انرژی تاریک باید حتماً در تمام عمر کیهان ثابت باشد. شتاب مربوط به ثابت کیهان شناسی در حال افزایش است و خود ثابت کیهان شناسی هم می تواند این گونه باشد. ایده تغییر انرژی تاریک، ایده تازه ای نیست. مشهورترین پیشنهاد که به نام «اصل پنجم» (quintessence) شناخته می شود، در دهه 1980 پیش کشیده شد. در این مدل انرژی تاریک به عنوان میدانی حاضر در همه جا (مانند عنصر پنجم طبیعت) در نظر گرفته می شود که قدرت آن می تواند به مرور زمان تغییر کند. اما این عنصر پنجم قدیمی نمی تواند به خوبی از عهده توضیح مشاهده های جدید بربیاید. برای تشریح آخرین نتیجه ها، به انرژی تاریکی نیاز دارید که بتواند به شیوه های غافلگیر کننده ای تکامل پیدا کند.

رفتارهای انرژی تاریک را می توان در قالب رابطه چگالی انرژی و فشاری که به بیرون اعمال می کند، جمع بندی کرد. در مدل لاندا – سی دی ام، نسبت به این دو مقدار با مقداری برابر یا کمی بیشتر از منفی 1. در مدل های قدیمی عنصر پنجم، این امکان وجود دارد که این نسبت تا هر جا که بخواهد رشد کند و به عبارتی، چگالی انرژی به مرور زمان محو شود. برای آنکه داده های اخیر منطقی باشد، این نسبت باید به منطقه ممنوعه پایین تر از منفی 1 نفوذ کند، یعنی قدرت انرژی تاریک باید در طول زمان افزایش یابد. انرژی منفی (نیرویی که اجزای جهان را از یکدیگر دور می کند)، باید دائماً از هیچ تولید شود.

به گفته هیمنز، این سناریو بسیار عجیب است. انرژی معمولاً از هیچ تولید نمی شود. مدل هایی که این رفتار به ظاهر غیر ممکن را پیش بینی می کنند، بطور سنتی کنار گذاشته می شوند و در دسته انرژی تاریک شبح (phantom dark energy) قرار می گیرند. اما اکنون اشباح جشن گرفته اند.

پیامدهای سرنوشت نهایی جهان غم انگیز است. اگر به اندازه کافی در زمان جلو بروید، شتاب انبساط کیهان به حدی می رسد که در سطوح مختلف، از نیروهای نگهدارنده جهان پیشی می گیرد و در نهایت، هر ذره تشکیل دهنده جهان فرا می پاشد. در اینجا و اکنون هم پیامدهای نامطبوعی پیش خواهد آمد که کل این ایده را زیر سوال می برد. در جهانی که انرژی تاریک شبح، اجزایش را از یکدیگر دور می کند، ماده معمولی به قدری ناپایدار خواهد بود که امکان ندارد تاکنون دوام آورده باشد. بسیار پیشتر از آنکه ما قدم به هستی بگذاریم، می بایست همه چیز در چنگ انرژی تاریک نابود شده باشد. از نظر کلودیا دورام (Claudia de Rham) از امپریال کالج لندن، این موضوع نشانه آن است که عامل اساسی تری وجود دارد که هنوز متوجهش نشده ایم. کلودیا دورام می گوید: «نمی توانم انرژی تاریک شبح را به عنوان پایان داستان بپذیرم.»

پس پشت نقاب این شبح چه چیزی پنهان شده است؟ یک ایده این است که این ضد اجتماعی ترین ساکنان کیهان (انرژی تاریک و ماده تاریک) شاید به نوعی با یکدیگر در تعاملند و اثراتی را ایجاد می کنند که ما می توانیم رصد کنیم. برای نمونه اگر ماده تاریک بطور پیوسته در حال تبدیل شدن به انرژی تاریک باشد، آن وقت می شود رشد انرژی تاریک را توضیح داد، گزینه دیگر این است که هنوز میدان های انرژی کشف نشده بسیاری هستند که با آمیختن با یکدیگر، نیروی دافعه ای ایجاد می کنند که به مرور زمان تغییر می کند. آلساندرا سیلوستری (Alessandra Silvestri) از دانشگاه لیدن هلند می گوید این مدل های چند میدانی، محبوبیت چندانی ندارند چون در چهارچوب آنها انرژی تاریک شبح رفتارهای عجیب تری خواهد داشت. روآوردن فیزیکدانان نظری به چنین منطقه های ناشناخته ای، فیزیکدانان تجربی را دستپاچه و عصبی کرده و باعث شده تا آنها برای بررسی دقیق تر آخرین اندازه گیری های ثابت هابل، مقایسه داده ها و تحلیل های کورکورانه دیگر هجوم بیاورند. به ویژه خاطر هیمنز هم مغشوش است. می گوید: «گاهی فکر می کنم نیمه شب در میان جماعت وحشت زده ای از خواب پریده ام و با خودم می گویم: خدایا، این همه فیزیکدان نظری با مدل های واقعاً دیوانه وارشان به سراغم می آیند. گاهی هم بر عکس، فکر می کنم: خب، اگر قرار است مدل های دیوانه وار خلق کنند، بهتر است با موضوع کنار بیایم.»

بسیاری امیدوارند این ناسازگاری ها به قدری افزایش یابند که انکار کردن شان ناممکن شود تا وادار شویم با فیزیک جدید مواجه شویم. باب نیکول (Bob Nichol)، مدیر موسسه کیهان شناسی و گرانش دانشگاه پورتسموث، می گوید: «اگر مدل لاندا – سی دی ام هیچ تغییری نکند، آن وقت باید سراغ کار دیگری در زندگی ام بروم.»

منابع

مقاله علمی و آموزشی «دشواری های شناخت ماهیت ماده تاریک»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله گیلید آمیت در نیوساینتیست ترجمه شده توسط حسین رحمانی در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.