ماده تاریک چیست؟ بررسی تاریخچه و ماهیت آن

تقریباً ۹۵ درصد جرم جهان از موادی تشکیل شده که دانشمندان نمی‌توانند به طور مستقیم آنها را مشاهده کنند. این مواد با نام ماده تاریک (Dark Matter) شناخته می‌شوند، ماده عجیب و غریبی که از خود نور و انرژی منتشر نمی‌کند. کیهان شناسان در سال‌های گذشته به‌ طور غیرمستقیم و از طریق آثار گرانشی این ماده بر روی ماده مرئی در مقیاس جهانی به وجود و ویژگی‌های آن پی بردند.

دانشمندان در سال ۲۰۱۳ براساس داده‌های تیم مأموریت پلانک کل جرم-انرژی موجود در جهان را تخمین زدند که به ترتیب شامل ۴.۹٪ ماده معمولی، ۲۶.۸٪ ماده تاریک و ۶۸.۳٪ انرژی تاریک (Dark energy) ‌است. همانگونه که مشاهده می‌شود انرژی تاریک و مادهٔ تاریک روی هم رفته ۹۵.۱ درصد از کل محتویات جهان را تشکیل می‌دهند. یعنی میلیاردها کهکشان، هزاران میلیارد‌ ستاره، سیاره، سیاه‌چاله و سایر اجسام فضایی فقط ۴٫۹ درصد از جرم و محتویات جهان را تشکیل داده‌اند!

فرضیه ماده تاریک و شواهد آن

تولد فرضیه ماده تاریک عمر زیادی ندارد، در واقع در سال ۱۹۳۰ بود که زمزمه‌های وجود این ماده با مطالعات فریتس زوئیکی (Fritz Zwicky) مطرح شد. زوئیکی بر روی تعادل کهکشان‌ها کار می‌کرد و می‌خواست بداند که چه عاملی باعث تعادل کهکشان‌هایی که کنار هم قرار گرفته‌اند، می‌شود. جرمی که او براساس سرعت و چگونگی حرکت کهکشان‌ها بر مبنای قوانین نیوتن محاسبه کرد ۴۰۰ برابر جرمی بود که از شدت روشنایی و رصد‌ آن کهکشان‌ها تخمین زده شده بود، به همین علت زوئیکی به این نتیجه رسید که این جرم خیلی کوچک است و نمی‌تواند نیروی گرانش لازم برای خنثی کردن نیروی ناشی از انبساط گاز‌ها را ایجاد کند و قاعدتاً باید این خوشه متلاشی می‌شد. اما در واقعیت چنین اتفاقی نیفتاده بود، این گونه بود که پای یک عامل ناشناخته به میان آمد و کم کم ماده تاریک یا ماده ناشناخته نام گرفت.

پس از زوییکی ورا روبین (Vera Rubin) که در دهه ۶۰ میلادی سرعت مداری ستاره‌ها را در کهکشان‌ها محاسبه می‌کرد به تناقض‌هایی در مطالعات خود رسید. مطالعات روبین نشان داد که ستاره‌ها با سرعت بسیار زیادی به دور مرکز کهکشان می‌چرخند، اما با چنین سرعت زیادی کهکشان‌ها باید متلاشی می‌شدند، اما همه چیز کاملا متعادل بود. این مسئله سبب شد تا ایده وجود ماده تاریک به ذهن روبین خطور کند. زیرا او معتقد بود که ممکن است یک ماده‌ نامرئی در داخل و بیرون کهکشان‌ها،پ وجود داشته باشد که گرانش لازم برای جلوگیری از متلاشی شدن آنها را ایجاد کند.

یکی دیگر از سرنخ‌های ماده تاریک، کشف تابش زمینه کیهانی بود (تابشی که از اولین لحظه تولد عالم در فضا باقی مانده است). کیهان شناسان با تابش زمینه کیهانی سن دقیق عالم و سرعت انبساط آن را محاسبه کردند. این کشف فرضیه وجود ماده تاریک را تقویت کرد زیرا به نظر می‌رسید که چیزی در فضا نهفته است و همانند نوعی نیروی ضد گرانشی عمل می‌کند. این نیرو باعث می‌شود که به جای آن که جهان متراکم شده و اجزای آن به یکدیگر نزدیک شوند، انبساط پیدا کند.

و اما قوی‌ترین مدرک برای وجود ماده تاریک، لنز گرانشی (Gravitational lens) بود. وقتی به تصویر خوشه کهکشانی آبل ۱۶۸۹ (Abell 1689) که ۲.۲ میلیارد سال نوری با زمین فاصله دارد، نگاه ‌کنید متوجه خمیدگی نور در میانه تصویر می‌شوید. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که نور از یک چشمه درخشان از فاصله‌ زیاد به ما برسد و در مسیر خود از کنار جسم پرجرمی مثل این کهکشان‌ها بگذرد. به این اجسام که باعث خم شدن نور می‌شوند اصطلاحا لنز گرانشی گفته می‌شود. براساس نسبیت عام انیشتین، جرم می‌تواند فضا-زمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند.

در تصویر مربوط به خوشه کهکشانی آبل ۱۶۸۹ قدرت این لنز عظیم گرانشی به جرم آن بستگی دارد، ولی ماده مرئی کهکشان‌های این خوشه فقط یک درصد از جرم مورد نیاز برای پدید آوردن چنین قوسی را شامل می‌شود، بنابراین بقیه جرم باید در جایی پنهان باشد تا چنین گرانشی ایجاد کند که نور خم بشود. به نظر می‌رسد که منبع گرانش شدید این خوشه کهکشانی ماده نامرئی باشد که چنین کمان‌های نورانی عجیب و جذابی را به وجود آورده است.

ماهیت ماده تاریک

فرضیه‌های مختلفی در مورد ماهیت ماده تاریک مطرح شده است، از جمله اینکه ماده تاریک از سیاه‌چاله‌های کوچکی تشکیل شده که از بیگ بنگ به جای مانده‌اند. در این میان معتبرترین فرضیه می‌گوید که ماده تاریک از ماده باریونی (baryonic) و غیرباریونی تشکیل شده است.

ماده باریونی از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده است. کشف اینکه آیا ماده تاریک از ماده باریونی تشکیل شده می‌تواند بسیار چالش برانگیز باشد. در اینصورت ستارههای کوتوله کم نور، کوتولههای سفید و ستارههای نوترونی پتانسیل ماده تاریک را دارند، سیاهچالههای کلان جرم نیز می‌توانند بخش متفاوتی از آن باشند. 

اما در این میان بسیاری از دانشمندان بر این باورند که ماده تاریک از مواد غیرباریونی تشکیل شده است. یکی از گزینه‌های اصلی برای مواد غیرباریونی «ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف» یا به اختصار ویمپ (WIPM)  است که دارای جرم ده تا صد برابر پروتون است. تعامل ضعیف این ذرات با ماده طبیعی تشخیص آنها را با مشکل مواجه میکند.

ذره دیگر برای مواد غیرباریونی آکسیون (Axion) نام دارد. آکسیون‌ها ذراتی هستند که از نظر جرمی بسیار کوچک هستند، اما تعداد آنها بسیار زیاد است. آکسیون‌ها ممکن است در اولین لحظات پس از بیگ بنگ تولید شده باشند.

علاوه بر این دو ذره، نوترالینوها (Neutralinos) هم می‌توانند سازنده ماده تاریک باشند. نوترالینوها ذرات فرضی بزرگ، سنگینتر و کندتر از نوترینوها هستند که از کاندیداهای اصلی تشکیل دهنده ماده تاریک بحساب می‌آیند ولی هنوز کشف نشده‌اند.

بر خلاف ماده تاریک باریونی، ماده تاریک غیرباریونی نقشی در شکل‌گیری عناصر شیمیایی در جهان اولیه نداشته‌ است به همین دلیل وجود آن تنها از طریق جاذبه گرانشی‌ استنباط می‌گردد. علاوه بر این اگر ذرات تشکیل دهنده‌ آن مانند آکسیون‌ها ابرتقارنی باشند، این امکان وجود دارد که یکدیگر را نابود کنند. در این صورت، این نابودسازی احتمالاً با عوارض قابل مشاهده‌ای نظیر اشعه گاما و نوترینوها همراه خواهد بود.

نظریات جایگزین

با توجه به دشواری‌هایی که دانشمندان برای کشف ماده تاریک با آن روبه‌رو هستند، برخی عقیده دارند شاید دانشمندان راه را اشتباه رفته‌اند و اصلا ماده تاریکی وجود ندارد. به همین علت تعدادی از فیزیکدان‌ها رویکرد دیگری را دنبال می‌کنند که وجود ماده تاریک را از اساس نقض می‌کند.

بر اساس این رویکرد، نظریه گرانش اشتباه است. این فیزیکدان‌ها عقیده دارند نیروی گرانشی به مراتب قوی‌تر از چیزی است که نیوتن در فضاهای بیرونی کهکشان‌های مارپیچی پیش‌بینی کرده است، به همین علت این نیرو از پرتاب ستاره‌های این مناطق به فضای بین ستاره‌ای جلوگیری می‌کند. آنها بر این اساس اصلاحیه‌هایی برای نظریه گرانش نیوتن پیشنهاد کرده‌اند.

معروف‌ترین این فرضیه‌ها، دینامیک نیوتنی اصلاح شده یا به اختصار موند (MOND) نام دارد که در سال ۱۹۸۳ توسط میلگروم (Mordehai Milgrom) مطرح شد. این فرضیه می‌گوید قانون گرانش نیوتون تنها در شرایطی که شتاب گرانش به اندازه کافی بزرگ باشد، صدق می‌کند و برای شتاب‌های بسیار ناچیز باید اصلاح شود. به عبارت دیگر، در چنین شرایطی شتاب به طور خطی با نیروی گرانشی وارد شده متناسب نیست و رابطه‌ای غیرخطی دارد.

طبق این فرضیه، گرانش ماده تاریک عامل حرکت مداری غیرعادی ستاره‌ها را در کهکشان‌های مارپیچی نیست. بلکه گرانش زیر یک شتاب بحرانی (^۱۰-۱۰  متر بر مجذور ثانیه) بسیار قدرتمندتر از پیش‌بینی نیوتن است و می‌تواند توضیحی برای این حالت غیرعادی باشد. این مقادیر بسیار کوچک در نواحی بیرونی کهکشان‌های مارپیچی وجود دارند از اینرو نشان می‌دهد که چرا ستاره‌های این مناطق سریع‌تر از حد انتظار می‌چرخند. بنابراین، این فرضیه می‌تواند چنین مشاهدات غیرعادی را بدون نیاز به معرفی جرم اضافی توضیح دهد. 

با همه توصیفات فرضیه‌های جایگزین هم کامل نبوده و مشکلات خاص خود را دارند. برای مثال نظریه موند نمی‌تواند مساله جرم گمشده در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را هم‌زمان توضیح دهد. همچنین بر اساس مشاهدات خوشه‌های کهکشانی در حال برخورد، ستاره‌های هر کهکشان در برخوردها از کنار یکدیگر می‌گذرند ولی ابرهای گازی به یکدیگر می‌چسبند و عقب می‌مانند، مساله‌ای که فرضیه موند نمی‌تواند علت آن را توضیح دهد.

همانگونه که مشخص است فرضیه‌های متفاوت و زیادی درباره ماده تاریک و ماهیت آن ارائه شده اما هر کدام دارای نقایص بوده و نمی‌توانند همه جنبه‌ها را در نظر بگیرند. از اینرو باید منتظر و امیدوار باشیم تا در آینده دانشمندان با تحقیقات بیشتر و با کمک ابزارهایی نظیر برخورد دهنده هادرونی بزرگ (LHC) بتوانند پاسخ این معمای بزرگ را به دست آورند.

.

تماشا کنید: جهان تاریک چیست؟ (فیلم)