بررسی خواص و ویژگی های ماده تاریک

کیهان آنچنان که در دهه 1930 به نظر می آمد، نیست. فریتز زوایکی (Fritz Zwicky) اخترشناس سوئیسی – آمریکایی گروهی از کهکشان ها را بررسی می کرد تا بداند کهکشان ها بطور انفرادی با چه سرعتی حرکت می کنند. وی در کمال تعجب دریافت کهکشان ها با سرعتی بسیار بیشتر از آنچه او انتظار داشت، به اطراف حرکت می کنند.

در حقیقت سرعت آنها به حدی زیاد بود که باید به سرعت پراکنده می شدند و از گرانش همه چیزهای درون خوشه کهکشانی رهایی می یافتند. اما این گونه نبود. زوایکی ناچار شد فرض کند که در یک خوشه کهکشانی بیشتری وجود دارد تا با افزایش گرانش کهکشان ها، بتواند آنها را در کنار یکدیگر نگه دارد. تفاوت کم نبود. برآورد او این بود که ماده موجود باید 400 برابر ماده قابل دیدن باشد. در حالتی که نمی توانست توضیح برای این ماده مرموز بیابد، نام dunkle materie را برای آن انتخاب کرد که معادل آلمانی ماده تاریک است.

در همان زمان یان اورت (Jan Oort) اخترشناس آلمانی به مفهوم مشابه ای اشاره کرد. او ستارگانی را که در نزدیکی لبه کهکشان راه شیری دوران می کردند، رصد می کرد. او انتظار داشت که ستارگان دور از مرکز کهکشان، آهسته تر از ستارگان نزدیک به مرکز کهکشان، دوران کنند. این نظریه بی شباهت به منظومه خورشیدی نیست. سیاره دورتر از خورشید زمان بیشتری لازم دارد تا مدار خود را بپیماید. اما آنچه که اورت بدان دست یافت، متفاوت بود. ستارگان بیرونی سریع تر از آنچه که انتظار داریم، حرکت می کنند. به بیان دیگر چرا این ستارگان به رغم سرعت زیادی که دارند، همچنان در راه شیری می مانند و به بیرون پرتاب نمی شوند؟ او فرض کرد که ماده ای نادیدنی با قدرت گرانشی در تمام کهکشان وجود دارد.

پیش از 1980، ورا رابین (Vera Rubin) اخترشناس آمریکایی، اثر مشابهی را در 100 کهکشان دیگر کشف کرده بود. به هر حال این ماده نادیدنی وجود داشت و در همه جا گسترده بود. امروزه پدیده ای که عدسی گرانشی (Gravitational Lensing) نام دارد، مدرک بیشتری برای اظهار این مفهوم عجیب فراهم کرده است. اگر مقدار زیادی جرم، مثلاً یک خوشه کهکشانی در جلوی یک چشمه نور دور دست، وجود داشته باشد، نوری که از جسم پشتی می آید، در اطراف جسم جلویی خمیده می شود. چنین نوری مجموعه ای از کمان ها را ایجاد می کند که می توانند به هم ملحق شده و حلقه اینشتین را پدید آورند. جرم بیشتر، موجب خمیدگی بیشتر می شود. هنوز در بسیاری از موارد، جرم مرئی کافی برای توضیح بزرگی خمیدگی مشاهده شده در خوشه کهکشانی وجود ندارد. پس باز هم لازم است جرم دیگری را در نظر گرفت که از دیده ها پنهان است.

کالین استوارت (Colin Stuart) نویسنده و مولف کتاب های علمی عضو انجمن سلطنتی نجوم، به بررسی ماهیت ماده تاریک و چگونگی آشکارسازی آن پرداخته است که شما می توانید خلاصه ای از آن را در ادامه مطالعه نمایید.

نظر دانشمندان درباره ماهیت ماده تاریک چیست؟

فیزیکدانان دستورالعملی برای کارکرد کیهان تنظیم کرده اند که مدل استاندارد فیزیک ذرات نام دارد. آنها با استفاده از این دستورالعمل ها، رفتار نیروها و شیوه بر هم کنش ذرات با یکدیگر را محاسبه می کنند. این مدل بارها راستی آزمایی شده است، از جمله در برخورد دهنده بزرگ هادرون (Large Hadron Collider) در سرن (CERN). آخرین صفحه نانوشته این کتاب بوزون هیگز بود که آن هم به تازگی کشف شده است. با این همه هنوز چیزی در بین این دستورالعمل ها نیست که به فیزیکدان ها امکان دهد تا از مشاهده رفتار ماده تاریک اطلاعات به درد بخوری بدست آورند که بتوان ساختار آن را تعیین کرد. ماده تاریک می تواند با ماده معمولی بر هم کنش گرانشی داشته باشد و همچنان ناپیدا بماند. ماده تاریک با نور بر هم کنش ندارد. برای توضیح این رفتار، فیزیکدان ها ذره جدیدی را وارد کردند که ذرات بزرگ با بر هم کنش ضعیف یا WIMP (مخفف Weakly Interacting Massive Particles) نام دارند. این ذرات بر هم کنش ضعیف دارند چون با نور بر هم کنش ندارند و بزرگ هستند چون بر هم کنش گرانشی دارد. وقتی اخترشناسان، کیهان را با وجود ماده تاریک به شکل WIMPها شبیه سازی کامپیوتری کردند، ساختاری را بدست آوردند که با توزیع کهکشان ها به صورتی که امروز می بینیم، همخوانی بسیار خوبی دارد. به نظر می رسد یک نظریه برای فیزیک فراتر از مدل استاندارد، به نام ابرتقارن (Supersymmetry) با مطالب گفته شده هماهنگی دارد. در گذشته توضیحات دیگری نیز مطرح شده اند مانند اجسام هاله ای پُر جرم فشرده یا MACHO (مخفف Standing for MAssive Compact Halo Objects). این نظریه در مورد اشیاء بزرگ مانند سیاه چاله ها که شبح مانند در کهکشان راه شیری وجود دارند، بکار می رود. این روش بیان می کند وقتی تمام جرم کهکشان را با هم جمع می کنیم، می بینیم که شامل آنها نمی شود، و توجیه می کند که چرا جرم کهکشان را کمتر از مقدار واقعی آن ارزیابی می کنیم.

دانشمندان برای یافتن ماده تاریک چه می کنند؟

چگونه می توان در مورد چیزی که دیده نمی شود، تعریفی ارائه داد؟ مطمئناً ماده تاریک قابل دیدن نیست. برای تصور بدترین حالت ها، در نظر بگیرید که WIMPها آنچنان شبح مانند هستند که می توانند از درون هر ماده معمولی از جمله هر آشکارسازی (که برای به دام انداختن آنها ساخته شده باشد) بگذرند.

برای روشن شدن مطلب، در نظر داشته باشید که ماده تاریک آنقدر زیاد است که میلیاردها ذره ماده تاریک بدون هیچ مقاومتی در یک ثانیه از بدن ما عبور می کند. بطور متوسط در هر 5 دقیقه، یکی از ذرات ماده تاریک با یک اتم از ماده معمولی بدن ما بر هم کنش دارد.

این نظریه که ذرات ماده تاریک گهگاه با ماده معمولی بر هم کنش دارد، بر اساس آزمایش زیرزمینی بزرگ زنون (Large Underground Xenon Experiment) است. این آزمایش در اعماق زمین در داکوتای جنوبی انجام شده است. دانشمندان برای انجام این آزمایش از یک معدن طلای متروکه استفاده و آشکارساز را در عمق 1.6 کیلومتری زمین نصب کردند. در این آزمایش 370 کیلوگرم زنون بکار رفت که توسط 264,979 لیتر آب آن را پوشانده بود. این تجهیزات به منظور انجام بیشترین بر هم کنش WIMP با زنون طراحی شد. زمانی که یک WIMP با اتم زنون واکنش داشته باشد، این اتم به سمت (درون) مایع شتاب می گیرد و موجب تولید یک جرقه نوری زود گذر می شود. می توان این جرقه نور را با استفاده از تعداد زیاد دوربین هایی که آن را احاطه کرده اند، ثبت کرد.

دانشمندان می توانند ماده تاریک را وقتی با خودش بر هم کنش دارد، آشکارسازی کنند. این فرآیند نابودی نام دارد. گمان می رود وقتی نابودی روی می دهد، آبشاری از ذرات معمولی تولید می شود و باید بتوانیم آنها را ببینیم. یکی از ابزارهایی که برای این آزمایش ساخته شده طیف سنج مغناطیسی آلفا است که در ایستگاه فضایی بین المللی نصب شده است. هدف از ساخت این ابزار آن است که از تولید اتم هایی که از نابودی WIMP در نزدیکی مرکز کهکشان می آیند، مدارکی بدست آوریم.

در این زمینه خورشید به عنوان بزرگترین جرم در منظومه خورشیدی، می تواند نقش یک جاروبرقی کیهانی غول آسا را بازی کند و ذرات ماده تاریک را جارو کرده و در کهکشان حرکت دهد. برخی ذرات ماده تاریک ممکن است درون خورشید نابود شوند و جریانی از ذرات معمولی را ایجاد کنند. متاسفانه خورشید نیز بسیار چگال است بطوریکه اغلب این ذرات تولید شده، درون آن به دام می افتند. به هر حال نوعی از ذرات (به نام نوترینوها) می توانند از خورشید خارج شده و با سفر در فضا به ما برسند. تجهیزات آزمایشگاهی مانند آیس کیوب (IceCube به معنای قطعه یخ) در قطب جنوب مستقر شده اند، برای گردآوری این سیگنال های افشاء کننده ماهیت این ذرات طراحی شده اند. از اینها گذشته، خوشبختانه برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) هم وجود دارد. کار این آزمایشگاه در 5 می 2015 و آزمایش برخورد پروتون ها با هم شروع شد. قبل از آن این آزمایشگاه را به مدت یکسال خاموش کرده بودند تا آن را ارتقاء دهند. دانشمندان امیدوارند، برخورد ذرات با یکدیگر با انرژی های بالاتر از آنچه در قبل انجام شد، طبیعت را وادار کند که رازهای بیشتری از ساز و کار درونی خود را آشکار سازد.

آیا ممکن است ماهیت ماده تاریک چیز دیگری باشد؟

تاکنون فرض کردیم که ماده تاریک واقعاً وجود دارد و به نحوی می توان آن را آشکار ساخت یا به وجودش پی برد اما اگر این گونه نباشد، چه؟ اگر این مفهوم فقط شبحی باشد که نشان دهنده درک نادرست ما از گرانش باشد، چه؟ این دقیقاً توصیفی برای دفاع از نظریه دینامیک نیوتنی اصلاح شده یا MOND (مخفف Modified Newtonian Dynamics) است.

به یاد داشته باشید یکی از دلایل اصلی تعریف ماده تاریک این حقیقت بود که سرعت چرخش ستارگان در کهکشان راه شیری با دور شدن از مرکز کهکشان بر خلاف سامانه خورشیدی کم نمی شود. حالا چه می شود اگر یک قاعده برای گرانش کوچک مقیاس (مانند منظومه خورشیدی) و قاعده دیگری برای گرانش بزرگ مقیاس (مثل یک کهکشان) وجود داشته باشد؟ قانون های گرانش نیوتن رفتن انسان به ماه یا رفتن فضاپیماها را به سیارات توضیح می دهد. بسط و تعمیم این قانون ها به محدوده هایی که این قانون در آنجاها کاربرد ندارد، باعث می شود که از شیوه حرکت ستارگان شگفت زده شویم. این نظر را اولین بار فیزیکدانی به نام مردخای میلگرام (Mordehai Milgrom) در 1983 مطرح کرد. او گفت که قدرت گرانش جایی که شتاب کوچک است، قوی تر می شود. این نظرها می تواند کمکی برای شرح بعضی جزئیات در مورد چگونگی رفتار کهکشان ها به روش هایی باشد که نظریه ماده تاریک نمی تواند آنها را توضیح دهد. اما هم اکنون هم دلیلی وجود ندارد که گمان کنیم گرانش در مقیاس های مختلف بطور متفاوت عمل می کند.

آیا ماده تاریک هیچ ارتباطی با انرژی تاریک دارد؟

خیر، انرژی تاریک نامی است که برای پدیده اسرارآمیزی انتخاب شده است که می پنداریم شتاب دهنده تمام انبساط کیهانی است و نوعی ضد گرانش محسوب می شود. برای مقایسه می توان گفت ماده تاریک همانند یک چسب گرانشی فرضی است که باعث می شود کهکشان ها و خوشه های کهکشانی در کنار هم بمانند. همانطور که نام آنها هم نشان می دهد، ما هم اکنون واقعاً در تاریکی هستیم چرا که ماهیت آنها را نمی دانیم.

چه مقدار ماده تاریک وجود دارد؟

مقدار ماده تاریک از ماده معمولی که می شناسیم و تشکیل دهنده ساختار انسان ها، سیاره ها و ستارگان است، به وضوح بیشتر است. بر این باور هستیم که در کهکشان راه شیری 90 درصد ماده تاریک و 10 درصد ماده طبیعی (یا ماده باریونی) وجود دارد. از تمام ماده موجود در کیهان، 85 درصد ماده تاریک و تنها 15 درصد ماده باریونی است. اما معادله معروف اینشتین (E = MC²) جرم و انرژی دو روی یک سکه هستند. این موضوع باعث می شود کیهان شناسان درباره جرم – انرژی کیهان (تمام جرم و تمام انرژی با هم) صحبت کنند. در این مورد کیهان دارای 68 درصد انرژی تاریک و 27 درصد ماده تاریک و تنها 5 درصد ماده معمولی است. اگر بخش انرژی را به حساب نیاوریم، اعداد بالا به 85 درصد ماده تاریک و 15 درصد ماده باریونی تبدیل می شوند.

مفهوم چند اصطلاح که در این مقاله از آنها استفاده شد:

• نابودی: فرآیندی است که در آن دو ذره ماده تاریک با هم ترکیب شده و آبشاری از ذرات جدید را به وجود می آورند. دانشمندان در تلاش هستند با آزمایش های مختلف در سراسر دنیا و در فضا آنها را آشکار کنند.
• عدسی گرانشی: یک پیش بینی از نظریه نسبیت عام اینشتین است که خمیده شدن نور به دلیل گرانش را بیان می کند. در بسیاری از موارد، اخترشناسان دیده اند که مقدار خمیده شدن نور بیش از آن است که با ماده قابل دیدن توجیه شود.
• نوترینو: ذره ای کوچک و تقریباً بدون جرم که در اثر واکنش های هسته ای درون خورشید تولید می شود. به علاوه ممکن است نوترینوها از نابودی ماده تاریک پدید آیند که آشکارسازی آنها دستاوردی بزرگ محسوب می شود.
• مدل استاندارد: کتاب دستورالعملی که فیزیکدان های ذرات از آن برای توضیح خواص ذرات دنیای زیر اتمی بکار می برند. این کتاب شامل قاعده های چگونگی بر هم کنش ذرات با نیروها و نور است.
• ابرتقارن: نظریه ای که از مدل استاندارد هم فراتر می رود و بیان می دارد که برای هر ذره معمولی یک ذره جفت ابرمتقارن وجود دارد. شاید سبک ترین این ذرات ابرمتقارن، عامل پدید آمدن ماده تاریک باشد.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «بررسی خواص و ویژگی های 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 محمدرضا سیدیان در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.