مجله اینترنتی زیتونی یک شبکه خوشمزه!

ماده تاریک

ماده تاریک؛ مرموزترین ماده جهان

هاسپیتل-اپلیکیشن هوشمند مشاوره تلفنی با پزشک

بزرگ ترین اخترشناسان جهان، چندین دهه به دنبال شکار گنجی خارق العاده برای مرموزترین ماده کیهان بودند. اما وقتی نمی توانیم آن را ببینیم چگونه می دانیم که وجود دارد؟ «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 با هم می خوانیم.

چرا دانشمندان بر این باورند که ماده تاریک وجود دارد؟

کیهان آن چنان که در دهه ۱۹۳۰ به نظر می آمد، نیست. فریتز زوایکی (Fritz Zwicky) اخترشناس سوییسی- امریکایی گروهی از کهکشان ها را بررسی می کرد تا بداند کهکشان ها به طور انفرادی با چه سرعتی حرکت می کنند. وی در کمال تعجب دریافت کهکشان ها با سرعتی بسیار بیش از آن چه او انتظار داشت، به اطراف حرکت می کنند. در حقیقت سرعت آنها به حدی زیاد بود که می 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 افزایش گرانش کهکشان ها، بتواند آنها را در کنار یکدیگر نگه دارد.
ماده تاریک
ماده تاریک
تفاوت کم نبود. برآورد او این بود که ماده موجود باید ۴۰۰ برابر ماده قابل دیدن باشد. درحالتی که نمی توانست توضیحی 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 آن چه که اورت بدان دست یافت، متفاوت بود. ستارگان بیرونی سریع تر از آن چه 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 ۱۹۸۰، ورا رابین (Vera Rubin) اخترشناس آمریکایی، اثر مشابهی را در ۱۰۰ کهکشان دیگر کشف کرده بود. به هر حال این ماده نادیدنی وجود داشت و در همه جا گسترده بود.
امروز پدیده ای که عدسی گرانشی (gravitational lensing) نام دارد، مدرک بیشتری برای اظهار این مفهوم عجیب فراهم کرده است. اگر مقدار زیادی جرم، مثلا یک خوشه کهکشانی در جلوی یک چشمه نور دوردست، 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.

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 برهم کنش ذرات با یکدیگر را محاسبه می کنند. این مدل بارها راستی آزمایی شده است، از جمله در برخورددهنده 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 اینهمه هنوز چیزی در بین این دستورالعمل ها نیست که به فیزیکدان ها امکان دهد تا از مشاهده رفتار ماده تاریک اطلاعات به درد بخوری به دست آورد که بتوان ساختار آن را تعیین کرد.
ماده تاریک می تواند با ماده معمولی برهم کنش گرانشی داشته باشد و همچنان ناپیدا بماند. ماده تاریک با نور برهم کنش ندارد. برای توضیح این رفتار، فیزیکدان ها ذره جدیدی را وارد کردند که «ذرات بزرگ با برهم کنش ضعیف» (WIMP=Weakly Interacting Massive Particles) نام دارند. این ذرات برهم کنش ضعیف دارند چون با نور برهم کنش ندارند و بزرگ اند چون بر هم کنش گرانشی دارد.
وقتی اخترشناسان، کیهان را با وجود ماده تاریک به شکل WIMPها شبیه سازی رایانه ای کردند، ساختار را به دست آوردند که با توزیع کهکشان ها به صورتی که امروز می بینیم، هم خوانی بسیار خوبی دارد. به نظر می رسد یک نظریه برای فیزیک فراتر از مدل استاندارد، به نام ابرتقارن (Super Symetry) با مطالب گفته شده هماهنگی دارد.
در گذشته توضیحات دیگری نیز مطرح شده اند. مانند «اجسام هاله ای پرجرم فشرده» (MACHO= 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، به کار 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 درمورد چیزی که دیده نمی شود، تعریفی ارائه داد؟ مطمئنا 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 آن قدر زیاد است که میلیاردها ذره ماده تاریک بدون هیچ مقاومتی در یک ثانیه از بدن ما عبور می کند. به طور متوسط در هر ۵ دقیقه، یکی از ذرات ماده تاریک با یک اتم از ماده معمولی بدن ما برهم کنش دارد.
ماده تاریک؛ مرموزترین ماده جهان
این نظریه که ذرات ماده تاریک گهگاه با ماده معمولی برهم کنش دارد، براساس «آزمایش زیرزمینی بزرگ زنون» (Large Underground Xenon Expriment) 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 ۱٫۶ Km زمین نصب کردند. در این آزمایش ۳۷۰ کیلوگرم زنون به کار رفت که توسط ۲۶۴۹۷۹ لیتر آب آن را پوشانده بود. این تجهیزات به منظور انجام بیشترین برهم 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 زودگذر می شود. می توان ای 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 برهم کنش دارد، آشکارسازی کنند. این فرآیند نابودی نام دارد. گمان می رود وقتی نابودی روی می دهد، آّبشاری 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 به دست آوریم.
در این زمینه خورشید هم می تواند به ما کمک کند. خورشید به عنوان بزرگ ترین 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 به طوری که 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» (Ice Cube به معنای قطعه یخ) که در قطب جنوب مستقر شده اند، برای گردآوری این سیگنال های افشاکننده ماهیت این ذرات طراحی شده اند. از اینها گذشته، خوشبختانه برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) هم وجود دارد. کار این آزمایشگاه در ۵ می ۲۰۱۵ و آزمایش برخورد پروتون ها با هم شروع شد. قبل از آن این آزمایشگاه را به مدت یک سال خاموش کرده بودند تا آن را ارتقا دهند. دانشمندان امیدوارند، برخورد ذرات با یکدیگر با انرژی های بالاتر از آن چه در قبل انجام شد، طبیعت را وادار کنند که رازهای بیشتری از ساز و کار درونی خود آشکار سازد.

آیا ممکن است ماهیت ماده تاریک چیز دیگری باشد؟

تاکنون فرض کردیم که ماده تاریک واقعا 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 دقیقا توصیفی برای دفاع از نظریه «دینامیک نیوتنی اصلاح شده» (MOND- 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 برخلاف 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 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 نخستین بار فیزیکدانی به نام مردخای میلگرام (Mordehal Milgrom) در ۱۹۸۳ مطرح کرد. او گفت که قدرت گرانش جایی که شتاب کوچک است، قوی تر می شود. این نظرها می تواند کمکی برای شرح بعضی جزییات در مورد چگونگی رفتار کهکشان ها به روش هایی باشد که نظریه ماده تاریک نمی تواند آنها را توضیح دهد. اما هم اکنون هیچ دلیلی وجود ندارد که گمان کنیم گرانش در مقیاس های مختلف به طور متناوب 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 ضدگرانش 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. همان طور که نام آنها هم نشان می دهد، ما هم اکنون واقعا 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 باوریم که در کهکشان راه شیری ۹۰ درصد ماده تاریک و ۱۰ درصد ماده طبیعی (یا ماده باریونی) وجود دارد. از تمام ماده موجود در کیهان، ۸۵ درصد ماده تاریک و تنها ۱۵ درصد ماده باریونی است. اما معادله معروف اینشتین E=MC2 جرم و انرژی دو روی یک سکه اند. 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 ۶۸ درصد انرژی تاریک و ۲۷ درصد ماده تاریک و تنها ۵ درصد ماده معمولی است. اگر بخش انرژی را به حساب نیاوریم، اعداد بالا به ۸۵ درصد ماده تاریک و ۱۵ درصد ماده باریونی تبدیل می شود.

مفاهیمی که با دانستن آن درک ماده تاریک آسان تر می شود

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 تلاشند 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 میده شدن نور بیش از آن است که با ماده قابل دیدن توجیه شود.

نوترینو: ذره ای کوچک و تقریبا بدون جرم که در اثر واکنش های هسته ای درون خورشید تولید می شود.به علاوه ممکن است نوترینوها از نابودی ماده تارک پدید آیند که آشکارسازی آنها دستاوردی بزرگ محسوب می شود.

مدل استاندارد: کتاب دستورالعملی که فیزیکدان های ذرات از آن برای توضیح خواص ذارت دنیای زیراتمی به کار می برند. این کتاب شامل قاعده های چگونگی برهم 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 پدیدآمدن ماده تاریک باشد.