ماده تاریک معمای کیهان

کیهان شناسی که علم مطالعه آغاز، شکل گیری و تکامل عالم است هنوز نمی داند ۹۹% عالم را چه چیز تشکیل داده است. به نظر می رسد جز غیر قابل مشاهده ای قسمت اعظم عالم را تشکیل داده است که قابل شناسایی نیست.

این ماده واقعا چیست؟ چگونه آن را بشناسیم؟
● اثبات وجود ماده تاریک:
ماده تاریک معمای کیهان جاذبه دلیل وجود ماده تاریک.
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 ساتع می کنند. اما هر پدیده ای این خصوصیات را ندارد حتی سیاره خودمان زمین نیز به علت تاریکی بیش از حد قابل مشاهده نیست.
● 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 ۱۹۳۰، 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 ۱۰ تا ۱۰۰ برابر مقداری بود که انتظار داشتند.
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 به دو طریق مشخص کند:
۱) جرم بیشتر کهکشان باعث می شود نیروی شتاب دهنده به کهکشان نیز بیشتر شود.
۲) 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 غالبا با اشتباه همراهند مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفت.
هنگامی که چیزی به وسعت یک خوشه کهکشانی نگاه می کنید با اینکه ممکن است سرعت ها زیاد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چیزی به حساب نمی آیند پس مشاهده مداوم یک خوشه در طی چندین سال تصویر یکسانی از آن بدست می دهد. ما نمی توانیم کهکشان هایی را که بدون الگو حرکت می کنند با دقت ببینیم. پس یک کهکشان با سرعت زیاد ممکن است از خوشه جدا شده باشد یا اصلا متعلق به خوشه نباشد. حتی ممکن است بعضی از کهکشان ها فقط مقابل کهکشان های دیگر در راستای خط دید آنها باشند. با این حساب این کهکشان گمراه کننده خواهد بود.
● دلیل محکمتر: منحنی حرکت انتقالی کهکشان ها
دلایل قابل اعتماد تری در دهه ۱۹۷۰ 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 و مانند سیارات از قوانین کپلر پیروی می کنند. 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.
● چه میزان ماده تاریک وجود دارد؟
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 ۱ تعریف می شود. در یک عالم باز یعنی عالمی که تا ابد اجزای آن در حال دور شدن از یکدیگر هستند امگا کمتر از ۱ است و یک عالم مسطح به طور ایده آل امگایی برابر ۱ خواهد داشت.
میزان ماده قابل مشاهده موجود در عالم در حدود ۰.۰۵ = امگا است و به هیچ وجه بیش از آن نمی باشند. نظریه پردازان مایلند امگای عالم را چیزی ۱ در حدود در نظر بگیرند به آن معنی که ماده تاریک ۰.۹۵ = امگا یا ۹۵% 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 ۰.۴ندارند با این حساب میزان ماده تاریک ۰.۳۵ امگا خواهد بود که ۸۸% جرم عالم است.
می بینیم که ۸۸% عالممان کاملا ناشناخته است!
● چه چیز ماده تاریک را تشکیل داده است؟
حدس و گمان های زیادی در باره جنس ماده تاریک وجود دارد.
▪ ماده معمول
ماده تاریک ممکن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشکیل شده باشد، ۱) سیارات.
ماده تاریک ممکن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشکیل شده باشد، ولی سیاراتی مثل زمین به اندازه کافی جرم ندارند، پس ممکن است ژوپیترها تشکیل دهنده ماده تاریک باشند.
اما این نظریه چندین مشکل دارد، اول اینکه ما فرض کرده ایم سیارات فقط در اطراف ستارگان شکل گرفته اند، بنا بر این ستارگان به میزان بسیار کمی جرم آن ها را بالا می برند. با این حساب امگا = ۰.۰۰۵ خواهد بود که برای تشکیل دادن ۸۸% جرم عالم کافی نیست.
دومین و مهمترین مشکل از ترکیب هسته ای مهبانگ (big bang nacleosynthesis) ناشی می شود. در لحظه تولد عالم وقتی مهبانگ رخ داد عالم ماده ای بسیار گرم تشکیل شده از انواع ذرات بود، در حالی که عالم بزرک و بزرگتر و به سردی می گرایید ذرات ماده معمول مثل الکترون، نوترون و پروتون ها نیز سرد می شدند و اتمهای مواد موجود در عالم را تشکیل می دادند. غالب این اتمها مربوط به هلیوم و هیدروژن هستند.
BBN یک تئوری موفق است که نه تنها هیدروژن و هلیوم را به عنوان بیشترین عناصر جهان معرفی می کند بلکه نسبت آنها را نیز به درستی بیان می کند.
اما مسئله ای وجود دارد. مقدار هر ماده ای که تشکیل می شود به میزان ماده معمول تشکیل دهنده اتم (ماده بارنوییک) بستگی دارد و BBNمقدار این ماده را برای عالم کنونی چیزی در حدود امگا = ۰.۱ پیش بینی می کند.
باید توجه کرد که این میزان ماده بارنوییک برای مواد قابل مشاهده در عالم ما زیاد است در نتیجه مقداری ماده معمول تاریک (از جمله سیارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما این مواد نمی توانند توجیه کننده سرعت خوشه و منحنی دوران آنها باشند.
۲) ستارگان تاریک - ژوپیترها، کوتوبه های قهوه ای، کوتوله های سفید
ماده معمول دیگری که می تواند تشکیل دهنده ماده تاریک باشد ستارگانی هستند که جرم کافی برای سوختن و درخشان شدن ندارند- کوتوله های قهوه ای - یا ژوپیترها - ژوپیترها کوتوله هایی به مراتب (حدود ۱۰ برابر) سنگین تر هستند و به صورت ستارگان بسیار کوچک و کم نور فعالیت دارند. اما این احتمالات مثل سیارات در مقابل BBN با مشکل مواجه می شوند و باز باریون کافی وجود ندارد. احتمال این نیز می رود که نظریه BBNاشتباه باشد ولی چون این نظریه تا کنون بسیار موفق بوده است به دنبال انتخاب های دیگری برای ماده تاریک هستیم.
▪ ماده عجیب.
ماده تاریک هرچه که هست، مهمترین علت نیروهای گرانشی در این عالم است و حداقل باید سهم کوچکی در ساختار کنونی عالم داشته باشداین ماده آنقدر ها هم عجیب نیست فقط ماده ای است که الکترون، نوترون و پروتون ندارد. بسیاری از چنین ذرات شناخته شده اند و چند مورد از آن ها در حد تئوری هستند تا بتوان مشکل ماده تاریک را حل کرد.
۱) نوترینوها:
نوترینوها ذرات بدون جرمی هستند که وجودشان ثابت شده و لی دلایلی وجود دارد که نشان داده گاهی اوقات جرم بسیار کوچکی دارند. در عالم مقدار بسیار زیادی از این ذرات وجود دارد، با این حال حتی یک جرم بسیار کوچک تر برای ماده تاریک پر اهمیت است. جرمی به اندازه ۵۰۰۰/۱ جرم الکترون، امگایی به اندازه ۱ بدست می دهد.
۲) ویمپ ها (WIMPs)
بیشتر انتخاب های ماده عجیت در دسته ویمپ ها - Weakly Interaching massive particles - قرار می گیرند. ویمپ ها دسته ای از ذرات سنگین هستند که به سختی با ذرات دیگر واکنش می دهند از این ذرات می توان در تراسنیو ها و آکسیون ها را نام برد.
● تغییرات جاذبه
آخرین احتمال این است که ما هنوز جاذبه و گرانش را به درستی نشناخته باشیم. ممکن است جاذبه در مقیاس های بزرگ مثل کهکشان ها نسبت به مقیاس های کوچک که می شناسیم متفاوت باشد. با اینکه چنین احتمالی بعید به نظر می رسد ولی نباید حتی به عنوان یک احتمال کنار گذاشته شود.
● نتیجه گیری:
ستاره شناسان هنگام رصد کهکشان ها دریافتند که مقدار بسیار زیادی ماده در عالم وجود دارد و کهکشان ها اتفاقی و نا مرتب در عالم جا نگرفته اند بلکه به صورت خوشه ها و ابر خوشه درمیان رشته ها و دیواره هایی جا گرفته اند که در بین شان تهی گاهها وجود دارند.
ماده تاریک هرچه که هست، مهمترین علت نیروهای گرانشی در این عالم است و حداقل باید سهم کوچکی در ساختار کنونی عالم داشته باشد.
در صورتی که ماده تاریک از ذرات سبک نوترینو تشکیل شده باشد می تواند فواصل بسیار بزرگ را پوشش دهد یعنی در فواصل بین رشته ها و دیواره ها قرار می گیرد این نوع ماده HDM یا ماده تاریک داغ نام دارد.
اما در صورتی که ماده تاریک از ذرات سنگین مثل WIMPs تشکیل شده باشد، ذراتش نسبتا به آرامی حرکت می کنند و می توانند مقیاس های کوچکتری مثل فواصل کهکشانی را پوشش دهند این نوع ماده CDM یا ماده تاریک سرد نام دارد. هر دو نوع ماده یعنی HDM و CDM مشکلاتی دارند از جمله اینکه CDM نی تواند ساختارهایی با مقیاس های بزرگ و HDM نمی تواند مقیاس های کوچک را تحت پوشش قرار دهد. با این حساب فرض می کنیم کهکشان ها در میان ماده مخلوط یاMDM شکل گرفته اند.




نگارش یافته توسط اکبر نعمتی
ستاره پارسی