ماده تاریک

کیهان شناسی که علم مطالعه آغاز، شکل گیری و تکامل عالم است هنوز نمی داند 99% عالم را چه چیز تشکیل داده است. به نظر می رسد جزء غیر قابل مشاهده ای 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 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 تابش می کنند. اما هر پدیده ای 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.

مجموع کل چگالی انرژی در کیهان 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 : 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، zwicky، Smith، دو خوشه تقریبا نزدیک به هم Coma و Virgo را از لحاط کهکشان 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.

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

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 مشخص کند، این کار از دو طریق انجام می شود:

1) جرم کهکشان هر چه بیشتر باشد باعث می شود نیروی شتاب دهنده به کهکشان نیز بیشتر شود.
2) 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 غالباً با اشتباه همراهند مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفت.

ماده تاریک و توجیه منحنی حرکت وضعی کهکشان ها

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 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. 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.

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

میزان وجود ماده تاریک

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.

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، دوربین ها و طیف سنج های 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 نتوانسته اند 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 می دهد. 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