ماده تاریک چیست و چه تفاوتی با انرژی تاریک دارد؟

جهان هستی مملو از پدیده‌های شگفت‌انگیز است که برخی از آن‌ها طی یکی دو قرن اخیر کشف شده‌اند. ماده تاریک و انرژی تاریک را شاید بتوان حیرت‌انگیزترین پدیده‌هایی دانست که اکتشاف آن‌ها در قرن بیستم رقم خورده است؛ موادی اسرارآمیز که نامشان نیز بیانگر پر رمز و راز بودن آن‌هاست! اما راز انرژی تاریک چیست و ماده تاریک چه خصوصیاتی دارد؟

تاریخچه کشف ماده تاریک و انرژی تاریک

در اوایل دهه ۱۹۹۰ یک چیز در مورد انبساط جهان کاملا قطعی بود؛ کیهان شاید میزان انرژی کافی برای متوقف کردن انبساط و در نهایت فروپاشی خود را داشته باشد و یا ممکن است مقدار انرژی آن به قدری کم باشد که انبساطش هرگز متوقف نشود، اما به طور قطع گرانش با گذشت زمان باعث کاهش سرعت انبساط خواهد شد. علت هم آن است که جهان پر از ماده بوده و نیروی جاذبه همه مواد را به سمت هم می‌کشد.

بعدها در سال ۱۹۹۸ رصدهای تلسکوپ فضایی هابل از ابرنواخترهای بسیار دور نشان داد سرعت انبساط جهان پیش از این کندتر از امروز بوده است. در نتیجه این سرعت پایین انبساط به دلیل گرانش نبوده و البته توضیحی نیز برای آن وجود نداشت، تا اینکه وجود پدیده‌ای مرموز برای رفع این چالش مطرح شد.

نظریه‌پردازان به سه توضیح رسیدند؛ شاید این نتیجه نسخه‌ای از نظریه گرانش اینشتین بود که برای مدت‌ها به آن توجه نمی‌شد، فرضیه‌ای که شامل مقداری به نام ثابت کیهانی (Cosmological Constant) است. شاید هم نوعی انرژی مایع عجیب فضا را پر کرده است. در سومین فرضیه نیز این گونه مطرح شد که ممکن است مشکلی در نظریه گرانش اینشتین وجود داشته و شاید یک تئوری جدید بتواند شامل مقوله‌ای باشد که این شتاب کیهانی را ایجاد می‌کند.

پژوهشگران هنوز به تعریف صحیحی برای این منظور دست نیافته‌اند، اما وجود پدیده‌ای را برای پاسخ به این معما پیشنهاد کرده‌اند که از آن با عنوان انرژی تاریک نام می‌برند. در ادامه تعاریف دقیق و جامعی را برای ماده تاریک و انرژی تاریک ارائه می‌دهیم؛ البته ابتدا تفاوت این دو را به صورت کلی بررسی می‌کنیم.

دانلود مستند تماشایی «ماده و انرژی تاریک از کجا آمده‌اند ۲۰۲۲» همراه با زیرنویس فارسی از لینک زیر:

برای دانلود مستند کلیک کنید

تفاوت ماده تاریک و انرژی تاریک

ماده تاریک بیشتر جرم کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را تشکیل می‌دهد و عامل چگونگی استقرار و نظم کهکشان‌ها در ساختار کیهان است. اما انرژی تاریک مربوط به تاثیر اسرارآمیزی می‌شود که باعث انبساط کیهان و افزایش سرعت انبساط کیهان است. اکنون به تفصیل به بررسی هر دو پدیده می‌پردازیم و خواص ماده تاریک را بررسی می‌کنیم.

ماده تاریک چیست؟

ماده تاریک شکلی فرضی از ماده است که تصور می‌شود حدود ۸۵ درصد از جرم کل جهان و تقریبا ۲۷ درصد از کل جرم و انرژی جهان را تشکیل می‌دهد. پدیده مذکور را با این نام می‌خوانند زیرا به نظر می‌رسد با میدان الکترومغناطیسی تعاملی ندارد، به این معنی که تابش الکترومغناطیسی (مانند نور) را جذب، بازتاب یا ساطع نمی‌کند و بنابراین تشخیص آن دشوار است.

این ماده به طور مستقیم قابل رصد نیست و در حقیقت مشاهده‌های اخترفیزیکی مختلف از جمله اثرات گرانشی که نمی‌توان آن‌ها را با تئوری‌های پذیرفته‌شده فعلی گرانش توضیح داد، موجب طرح حضور این ماده در کیهان شد تا به وسیله آن امکان درک چنین پدیده‌هایی وجود داشته باشد. به همین دلیل، اغلب صاحب نظران معتقدند ماده مورد بحث در جهان به وفور یافت می‌شود و تاثیر زیادی بر ساختار و تکامل آن داشته است.

در بالا گفتیم که چند درصد جهان ماده تاریک است، اما بخش بسیار بزرگتری را انرژی تاریک تشکیل می‌دهد.

در همین رابطه بخوانید: دقیق‌ترین نقشه ماده تاریک جهان+عکس

انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک شکل ناشناخته‌ای از انرژی است که حدود ۶۸ درصد کیهان را تشکیل می‌دهد. جالب است بدانید ماده معمولی که ما می‌شناسیم فقط حدود ۵ درصد کیهان را شامل می‌شود. در اصل تا پیش از کشف ماده تاریک دانشمندان فقط از آنچه در جهان قابل مشاهده با چشم غیر مسلح یا تلسکوپ دیده می‌شد، آگاه بودند که شامل تمام گازها و غبارهای بین کهکشانی و بین ستاره‌ای، ستارگان، سیاره‌ها و سایر اجرام کیهانی می‌شود.

اولین شواهد وجود انرژی تاریک از مطالعه ابرنواخترها به دست آمد که نشان می‌دهد جهان با سرعت ثابتی منبسط نمی‌شود، بلکه شتاب انبساط جهان در حال افزایش است.

پیش از این مشاهده‌ها، دانشمندان تصور می‌کردند همه اشکال ماده و انرژی در جهان تنها باعث کاهش سرعت انبساط در طول زمان می‌شوند. اندازه‌گیری‌های تابش زمینه کیهانی (CMB) نشان می‌دهد جهان مطابق نظریه بیگ بنگ و طی انفجاری بزرگ به وجود آمده است که تئوری نسبیت عام، تکامل آن و رخدادهای بعدی را توضیح می‌دهد. بدون طرح انرژی تاریک، هیچ راهی برای توجیه انبساط جهان با سرعت در حال افزایش وجود ندارد.

اما حدود یک قرن قبل از کشف این دو پدیده، در سال ۱۸۹۸ اصطلاحی موسوم به پادماده مطرح شد که اکنون در کنار آن‌ها یکی دیگر از مواد حیرت‌انگیز خلقت به شمار می‌رود. پادماده دارای خواصی عجیب بوده و جزو شگفتی‌های جهان هستی محسوب می‌‌شود. در ادامه به تفاوت پاد ماده و ماده تاریک و بررسی ارتباط آن‌ها می‌پردازیم.

پادماده و ماده تاریک

در فیزیک نوین، پادماده به ماده‌ای متشکل از ذرات زیراتمی اطلاق می‌شود که جرم، بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌های ماده معمولی را دارد، اما علامت (مثبت یا منفی) بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی آن‌ها مخالف است. از سویی دیگر و مطابق یک فرضیه، ماده تاریک از ذراتی به نام ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) تشکیل شده است که عمدتا تصور می‌شود به طور واحد هم ماده و هم پادماده هستند.

آیا پاد ماده می‌تواند ماده تاریک را از بین ببرد؟ هنگامی که ماده و پادماده به هم می‌رسند، یکدیگر را در انفجارهای قوی نابود می‌کنند؛ بنابراین وقتی دو WIMP معمولی با هم برخورد داشته باشند، یکدیگر را از بین می‌برند. از طرفی ممکن است که ماده تاریک مانند ماده معمولی در دو نوع ماده و پادماده وجود داشته باشد.

اگر این ایده که ماده تاریک نامتقارن نامیده می‌شود درست باشد، آن‌گاه نه ذرات ماده تاریک یکدیگر را از بین می‌برند و نه ذرات پادماده تاریک؛ اما اگر یکی از هر کدام از این دو نوع به هم برخورد کنند، منفجر می‌شوند و همدیگر را نابود می‌سازند.

در همین رابطه بخوانید: دانشمندان ماده تاریک را شبیه‌سازی کردند

فیلم ماده تاریک

در این ویدئو توضیحاتی مفید درباره ماده تاریک ارائه شده است.

نکاتی جالب درباره ماده تاریک

آیا می‌توان به ماده تاریک دست زد؟ از آنجایی که ماده تاریک به صورت الکترومغناطیسی برهمکنش نمی‌کند، نمی‌توانیم آن را لمس کنیم، ببینیم یا با استفاده از وسایل معمول دستکاری کنیم و فقط می‌توانیم آن را به کمک نیروهای گرانشی تحت تاثیر قرار دهیم.

آیا در سیاره زمین هم ماده تاریک وجود دارد؟ ماده تاریک را می‌توان در داخل اجرام عظیم به دام انداخت و ممکن است مقداری زیادی از این ماده مرموز به سطح ستارگان و سیارات نزدیک‌تر از آنچه باشد که تصور می‌کنیم. بنابراین در پوسته زمین هم شاید بر اساس تخمین‌ها بیش از ۱۰ تریلیون ذره در هر سانتی متر مکعب از این ماده وجود داشته باشد.

چه مثال‌هایی از ماده تاریک می‌توان زد؟ به طور کلی دانشمندان درباره اینکه چه چیزهایی نمی‌تواند ماده تاریک باشد بیشتر می‌دانند تا اینکه چه چیزهایی شامل این ماده می‌شوند! ماده تاریک را شاید بتوان در ستاره‌های کوتوله قهوه‌ای و کوتوله سفید، بقایای هسته‌های مرده ستاره‌های کوچک تا متوسط و نیز در یک ستاره نوترونی یا سیاهچاله که بقایای ستارگان بزرگ پس از انفجار محسوب می‌شوند، یافت.

برخی اخترفیزیکدانان احتمال می‌دهند سیاه‌چاله‌های اولیه همه ماده تاریک در جهان را تشکیل می‌دهند. با این وجود، چنین احتمالاتی چندان هم معتبر نیستند، چرا که هنوز شواهد کافی برای اثبات این موضوع در رابطه با کوتوله‌های قهوه‌ای و سفید وجود ندارد. از طرفی ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها در کیهان نادر هستند و بررسی چنین موضوعی در مورد آن‌ها کاری دشوار است.

آیا می توانیم ماده تاریک را احساس کنیم؟ همان‌طور که گفته شد چون این ماده با نور برهمکنش نمی‌کند، هیچ ارتباطی با نیروی الکترومغناطیسی ندارد؛ به این معنی که از ماده معمولی عبور می‌کند، بدون اینکه تاثیری بر ذرات آن بگذارد.

تاکنون کاوش‌های مختلفی برای شناسایی بهتر این پدیده‌های اسرارآمیز انجام شده است و اکنون اخترشناسان امیدوارند بزرگترین تلسکوپ فضایی جهان یعنی تلسکوپ جیمز وب در این امر نقشی موثرتر نسبت به تلسکوپ‌های فضایی قبلی ایفا کند. جیمز وب با رصدهای فروسرخ خود قادر به مشاهده ابتدای کیهان نخواهد بود، اما انتظار می‌رود از طریق رصد تکامل کهکشان‌ها از ابتدایی‌ترین مراحل جهان بینش‌هایی ارائه دهد که قبلا امکان‌پذیر نبوده است.

شما در مورد این پدیده‌های مرموز چه فکر می‌کنید؟ آیا جیمز وب یا سایر تلسکوپ‌های آینده قادر خواهند بود اطلاعات بیشتری در این زمینه به دست آورند؟ دیدگاه‌های خود را در قسمت نظرات با ما در میان بگذارید و سوالاتتان را بپرسید؛ کارشناسان اسپاش به شما پاسخ می‌دهند.