اسرار کیهان: ماده تاریک چیست؟

کیهان شناسی که علم مطالعه آغاز، شکل‌گیری و تکامل عالم است هنوز نمی‌داند 99% عالم را چه چیز تشکیل داده است. به نظر می‌رسد جزء غیر قابل مشاهده‌ای وجود دارد که قسمت اعظم عالم را تشکیل داده است، ولی قابل شناسایی نیست.

این ماده واقعا چیست؟ چگونه آن را بشناسیم؟

وجود یک پدیده را از دو روش می‌توان اثبات کرد: مشاهده مستقیم پدیده یا مشاهده تاثیر آن بر پدیده‌هایی که راحتتر مشاهده می‌شوند.

این مطلب که در آسمان شب چیزهایی هست که به راحتی دیده نمی‌شود و همیشه مورد توجه بوده است. هنگام استفاده از تلسکوپ یا رادیو تلسکوپ فقط اشیایی رصد می‌شوند که از خود نور یا امواج رادیویی تابش می‌کنند. اما هر پدیده‌ای این خصوصیات را ندارد حتی سیاره خودمان زمین نیز به علت تاریکی بیش از حد قابل مشاهده نیست.

ماده تاریک چیست؟

مادّهٔ تاریک، در اخترشناسی و کیهان‌شناسی، مادّه‌ای فرضی است که چون از خود نور (امواج الکترومغناطیسی) گسیل یا بازتاب نمی‌کند، نمی‌توان آن را مستقیما" دید، اما از اثرات گرانشی موجود بر روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، می‌توان به وجود آن پی برد. بر اساس مشاهدات فعلی، که بر روی ساختارهایی بزرگتر از کهکشان‌ها صورت گرفته‌است، و همچنین مطالب مربوط به انفجار بزرگ، ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل دهنده بخش زیادی از جرم موجود در جهان قابل مشاهده است. اجزای ماده تاریک جرم بسیار بیشتری از قسمت دیده شدنی کائنات دارند. فقط حدود ۴٪ از مجموع کل چگالی انرژی در کیهان را می‌توان مستقیم مشاهده کرد (با توجه به اثرهای گرانشی آن)، که این مقدار شامل باریونها و تابش‌های الکترومغناطیسی نیز می‌شود. همچنین تصور می‌شود که ۲۲٪ از ماده تاریک تشکیل شده باشد و ۷۴٪ باقی مانده را نیز انرژی تاریک تشکیل داده باشد، که همانند ماده تاریک در فضای کائنات توزیع شده و به همان اندازه ماده تاریک ناشناخته و مجهول مانده‌است.

تعیین خواص و ویژگی‌های این توده ناشناخته به یکی از مهم‌ترین مسائل کیهان‌شناسی مدرن و فیزیک ذرات تبدیل شده‌است. این نکته قابل ذکر است که اسامی «ماده تاریک» و «انرژی تاریک» در بیشتر مبین عدم اطلاع انسان از ماهیت این دو ماده و ناشناخته بودن آن است. یک اخترشناس در این باره می‌گوید: «به یاد داشته باشید که ما این پدیده را انرژى تاریک مى نامیم اما این نامگذارى ممکن است این باور غلط را در ذهن مخاطبان ایجاد کند که ما حقیقتاً مى دانیم که آن پدیده چیست. اما باید اذعان داشت که ما واقعاً چیز زیادى در این باره نمى دانیم».

با اینکه ساختار و ویژگی‌های ماده تاریک هنوز کاملا" مشخص نیست، اما این طور تصور می‌شود که بخش اعظم ماده تاریک موجود در جهان، «غیر باریونی» باشد، که به معنا آن است که دارای هیچ اتمی نیست و به وسیله نیروی مغناطیسی به سمت مواد معمولی جذب نخواهد شد. ماده سیاه غیرباریونی شامل نوترینو و احتمالا" دارای اجزای دیگری مانند مواد فرضی ای چون «آکسیون» (axions) و «ابرمتقارن» (supersymmetric) می‌باشد. برخلاف ماده تاریک باریونی، ماده تاریک غیر باریونی در شکل گرفتن عناصر در ابتدای آفرینش نقشی نداشته و وجودش تنها به دلیل جاذبه گرانشی آن اثبات می‌شود. به علاوه، اگر همه اجزایی که ماده تاریک از آنها تشکیل شده باشد ابرمتقارن باشند، واکنش‌ها و برخوردهای آن‌ها با یکدیگر موجب نابودی آن‌ها شده و فراورده‌هایی قابل مشاهده نظیر فوتون و نوترینو حاصل می‌شوند.

اولین مدرک: خوشه‌های کهکشانی

مقدار قابل توجهی ماده در بررسی خوشه‌های کهکشانی وجود دارد که ما نمی‌توانیم به آسانی آنها را ببینیم. خوشه‌های که از تجمع چند صد تا چند هزار کهکشان یا کهکشان‌های تک در فضا بوجود آمده‌اند. در دهه 1930، zwicky، Smith، دو خوشه تقریبا نزدیک به هم Coma و Virgo را از لحاط کهکشان‌های تشکیل دهنده و سرعت خوشه‌ها مورد بررسی قرار دادند، و سرعتی که بدست آوردند چیزی بین 10 تا 100 برابر مقداری بود که انتظار داشتند.

یک خوشه کهکشانی بزرگ به نام Abell 1689، هر کدام از این نقاط روشن یک کهکشان با میلیاردها ستاره است، و شامل مقدار بسیار بیشتری ماده تاریک می‌باشد. جرم بسیار زیاد موجود در خوشه، نور کهکشان‌های پشتی را خم کرده است!

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

• جرم کهکشان هر چه بیشتر باشد باعث می‌شود نیروی شتاب دهنده به کهکشان نیز بیشتر شود.
• اگر شتاب یک کهکشان خیلی زیاد باشد می‌تواند از میدان جاذبه خوشه خارج شود. اگر شتاب کهکشان بیش از سرعت فرار باشد، خوشه را ترک خواهد کرد.

به این ترتیب همه کهکشان‌ها سرعتی پایین‌تر از سرعت فرار (گریز) خواهند داشت. و با این نگرش می‌توان 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 غالباً با اشتباه همراهند مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفت.

ماده تاریک و توجیه منحنی حرکت وضعی کهکشان‌ها

با اینکه وجود ماده تاریک در جهان مهم و ضروری به نظر می‌رسد، اما هنوز مدارک و دلایل قطعی مبنی بر وجود این ماده و طبیعت آن به دست نیامده‌است. با این وجود تئوری ماده تاریک به عنوان قابل قبول‌ترین فرضیه برای توجیه انحراف در حرکت وضعی کهکشان است.

دلایل قابل اعتمادتری در دهه 1970 در پی اندازه‌گیری منحنی‌های دوران کهکشان‌ها ارایه شد. علت قابل اعتماد‌تر بودن آنها این است که اطلاعات موثق‌تری در مورد تعداد یشتری کهکشان دست می‌دهند.

از گذشته می‌دانستیم که کهکشان‌ها حول مرکز شان دوران دارند درست شبیه به چرخش سیارات به دور خورشید. این قوانین می‌گویند 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 می‌توانیم جرم موجود در کهکشان را محاسبه کنیم. همان‌طور که در کناره‌های کهکشان میزان نور به سرعت کم می‌شود انتظار می‌رود سرعت چرخش نیز پایین بیاید ولی این اتفاق نمی‌افتد و سرعت در همان میزانی که محاسبه شده بود ثابت می‌ماند و این مطلب آشکارا نشان می‌دهد در کناره‌های کهکشان جرمی وجود دارد که ما نمی‌بینیم. 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.

منحنی سرعت چرخش ستاره‌ها در کهکشان، از مرکز تا به لبه: منحنی A نشان دهنده کاهش سرعت فرضی ستاره ها در لبه‌ی کهکشان بدون وجود ماده تاریک، و منحنی B ثابت ماندن سرعت چرخش ستاره ها را به علت وجود ماده تاریک نشان می‌دهد.

میزان وجود ماده تاریک

کیهان‌شناسان میزان موجود در عالم را با پارامتری به نام امگا مورد بحث قرار می‌دهند. در یک عالم بسته یعنی عالمی که جرم آن در حدی است که عاقبت در خود فرو می‌ریزد امگا بیش از 1 تعریف می‌شود. 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 هیچ‌وجه بیش از آن نمی‌باشند. 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.

آغاز پروژه رمزگشایی از اسرار ماده تاریک

آژانس فضایی اروپا از آغاز پروژه Euclid برای کشف اسرار ماهیت انرژی تاریک و ماده تاریک خبر داد.

با موافقت نهایی کمیته برنامه علمی آژاس فضایی اروپا (ESA)‌، پروژه یک میلیارد دلاری Euclid وارد مرحله ساخت تلسکوپ شد.
با تکمیل پروژه Euclid تا سال 2020 میلادی، محققان قادر خواهند بود از طریق تلسکوپی به قطر 1.2 متر، دوربین‌ها و طیف سنج‌های مادون قرمز نقشه توزیع سه بعدی دو میلیارد کهکشان و ماده تاریک اطراف آنها را به گستره یک سوم آسمان، تهیه کنند.

«رنه لوریجس» از محققان این پروژه تأکید می کند: با تأیید نهایی و آغاز مراحل ساخت تلسکوپ، یک گام به کشف حقایق تازه در خصوص ماده تاریک نزدیک تر شدیم.

ماده تاریک احتمالا حدود 83 درصد کائنات را تشکیل داده است، اما محققان تاکنون نتوانسته‌اند با هیچ تکنیک یا ابزار نجومی، ماهیت این ماده را کشف کنند.

انرژی تاریک نیز نوعی انرژی فرضی است که سرعت انبساط جهان را افزایش می‌دهد. این حالت زمانی پیش می‌آید که نیرویی بیشتر از جاذبه و در خلاف جهت آن در جهان وجود داشته باشد، اما منشا این نیرو همچنان اسرارآمیز باقی مانده است.

دانشمندان امیدوارند با تکمیل پروژه Euclid برای سوالات اساسی جهان شناسی مدرن پاسخی بیابند.

گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.donyaha.ir