نگاهی به موضوع چالش‌برانگیز ماده تاریک و انرژی تاریک

ماده تاریک شکلی فرضی از ماده است که تصور می‌شود حدود ۸۵ درصد از مواد و انرژی جهان را تشکیل می‌دهد. ماده تاریک، از آنجا که به نظر نمی‌رسد با میدان الکترومغناطیسی تعامل داشته باشد، «تاریک» نامیده می‌شود. یعنی تابش الکترومغناطیسی مانند نور را جذب و بازتاب نمی‌کند و بنابراین تشخیص آن دشوار است.

از نظر دانشمندان کیهان‌شناسی و اخترفیزیک، ماده تاریک با توجه به مقدار و میزان وجود آن در کیهان و نیز با در نظر گرفتن اثرات گرانشی، قابل اثبات است. اغلب پژوهشگران معتقدند ماده تاریک در جهان به وفور وجود دارد و تاثیر زیادی بر ساختار و تکامل آن داشته است.

طی گفت‌وگوی آیناز فیض‌اله‌پور، خبرنگار اسپاش، و علی صفاری، کارشناس ارشد ذرات بنیادی، در ادامه این مطلب به توضیحات بیشتری درباره ماده تاریک پرداخته شده است.

درصد ماده تاریک در جهان

آیناز فیض‌اله‌پور:

• شواهد اولیه از ماده تاریک چطور به دست آمد؟

علی صفاری:

اگر تعداد زیادی از کهکشان‌ها حاوی مقدار زیادی از این ماده ناشناخته باشد، کاملا متفاوت رفتار می‌کنند. مثل اینکه بعضی کهکشان‌ها شکل نمی‌گرفتند و برخی دیگر غیرعادی حرکت می‌کردند. همراه با مشاهده‌های نجومی، ساختار کنونی جهان قابل مشاهده، شکل‌گیری کهکشان‌ها، مکان جرم در طول برخوردهای اجرام آسمانی مثل کهکشان‌ها می‌توان شواهد وجود این ماده را به دست آورد.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• ساختار جهان ما چند درصد از این ماده تاریک است؟

علی صفاری:

کل محتوای جرم و انرژی جهان از نظر کیهان‌شناسی، ۵% انرژی و ماده معمولی، ۲۷% ماده تاریک و ۶۸% به عنوان انرژی تاریک نامیده می‌شود. بنابراین ماده تاریک ۸۵% ماده تاریک از جرم کل را تشکیل می‌دهد. این در حالی است که انرژی تاریک و ماده تاریک ۹۵% از کل محتوای جرم-انرژی را تشکیل می‌دهند.

در همین رابطه بخوانید: تصویر یک کهکشان بدون ماده تاریک را ببینید

آیناز فیض‌اله‌پور:

• این ماده از چه چیزی است؟

علی صفاری:

تا به حال کسی این ماده را مستقیما مشاهده نکرده است، اما با فرض وجود، به سختی باید با ماده باریونی (Baryon) و تشعشع‌های معمولی ارتباط داشته باشد؛ مگر از طریق گرانش. تصور می‌شود بیشتر ماده تاریک غیر باریونی بوده و ممکن است از برخی ذره‌های زیراتمی که هنوز کشف نشده‌اند تشکیل شده باشد.

نظریه اولیه برای ماده تاریک نوعی جدید از ذره‌های بنیادی بوده که هنوز کشف نشده است؛ به ویژه ذره‌های عظیم با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs). اگرچه بحث‌ها به دلیل عدم شناسایی برهم‌کنش‌ها در آزمایش‌های زیادی برای شناسایی و مطالعه مستقیم ذره‌های ماده تاریک به طور فعال در حال انجام است، اما هیچ‌ موفقیتی به دست نیامده است.

سرعت و حالت ماده تاریک

آیناز فیض‌اله‌پور:

• سرعت و حالت این ماده را چطور می‌شود بیان کرد؟

علی صفاری:

ماده تاریک با توجه به سرعت آن (به طور دقیق‌تر، طول جریان آزاد آن) به عنوان «سرد» یا «گرم» طبقه‌بندی می‌شود. مدل‌های کنونی به دنبال سناریوی ماده تاریک سرد هستند که در آن ساختارها با تجمع تدریجی ذره‌ها پدیدار می‌شوند.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• جامعه علمی چگونه وجود این ماده را می‌پذیرند؟

علی صفاری:

درست است که جامعه علمی به طور کلی وجود ماده تاریک را می‌پذیرد، اما برخی از اخترفیزیکدانان و کیهان‌شناسان شیفته مشاهده‌های خاصی هستند که آثار گرانشی و وجود ماده تاریک به خوبی توضیح داده نشده است، برای اصلاحات مختلف قوانین استاندارد از نظریه نسبیت عام استدلال می‌کنند‌.

این‌ها شامل دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (Modified Newtonian Dynamics)، گرانش تانسور-بردار-اسکالر (TeVeS)، یا گرانش آنتروپیک (Anthropic) است. چنین مدل‌هایی تلاش می‌کنند تمام مشاهده‌ها را بدون استناد به ماده غیرباریونی تکمیلی توضیح دهند.

در همین رابطه بخوانید: لبه کیهان کجاست؟+فیلم

آیناز فیض‌اله‌پور:

• فرضیه وجود این ماده از چه زمانی شروع شد؟ اولین دانشمندان و ستاره‌شناسان که این موضوع را بیان کردند چه کسانی بودند؟

علی صفاری:

اولین کسی که وجود ماده تاریک را با استفاده از سرعت‌های ستاره‌ای پیشنهاد کرد، یاکوبوس کاپتین (Jacobus Kapteyn)، ستاره‌شناس هلندی، در سال ۱۹۲۲ بود. یک نشریه از سال ۱۹۳۰ به کنوت لوندمارک (Knut Lundmark)، اخترشناس سوئدی، اشاره کرد که برای اولین بار متوجه شد جهان باید دارای جرم بسیار بیشتری از ما باشد.

یان اورت (Jan Hendrik Oort)، ستاره‌شناس هلندی و پیشگام نجوم رادیویی نیز وجود ماده تاریک را در سال ۱۹۳۲ ارائه کرد، اما بعدا مشخص شد که این اندازه‌گیری اشتباه است. در سخنرانی در سال ۱۸۸۴، لرد کلوین (Lord Kelvin)، فیزیکدان بریتانیایی، تعداد اجرام تاریک در کهکشان راه شیری را از روی پراکندگی سرعت مشاهده‌شده ستارگانی که به دور مرکز کهکشان می‌چرخند، تخمین زد.

با استفاده از این اندازه‌گیری‌ها، او جرم کهکشان را برآورد کرد و تشخیص داد با جرم ستارگان قابل مشاهده متفاوت است. بنابراین لرد کلوین نتیجه گرفت که بسیاری از ستارگان ما ممکن است اجسام تاریک باشند. در سال ۱۹۰۶، هانری پوانکاره (Henri Poincaré)، فیزیکدان فرانسوی، در کنفرانس «راه شیری و نظریه گازها» از اصطلاح فرانسوی «Matière Obscure» (ماده تاریک) در بحث درباره کار کلوین استفاده کرد.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• بعد از سال ۱۹۳۲ آزمایش‌ها و فرضیه‌های دیگری انجام شد؟ آیا دانشمندان دیگر موفق به مشاهده این ماده شده‌ بودند؟

علی صفاری:

در سال ۱۹۳۳ فریتز زویکی (Fritz Zwicky)، اخترفیزیکدان سوئیسی، در حالی که در موسسه فناوری کالیفرنیا (CalTech)، خوشه‌های کهکشانی را مطالعه می‌کرد، از روی انبساط جهان آزمایشی مشابه انجام داد. وی قضیه‌ این ماده را که در خوشه کهکشانی کما (Coma) به کار برد، شواهدی از جرم نادیده به دست آورد و آن را «ماده تاریک» نام‌گذاری کرد.

هر چند که این موضوع دقیق نیست، زویکی جرم این خشه را بر اساس حرکت کهکشان‌ها در نزدیکی لبه‌اش تخمین زد و آن را با برآوردی بر اساس روشنایی و تعداد کهکشان‌ها مقایسه کرد. او تخمین زد جرم این خوشه حدود ۴۰۰ برابر بیشتر از آن چیزی است که از نظر بصری قابل مشاهده است.

اثر گرانش کهکشان‌های مرئی برای چنین مدارهای سریعی بسیار کوچک بود؛ بنابراین جرم باید از دید پنهان بماند. بر اساس این نتایج، زویکی مقداری ماده نادیده را استنباط کرد که جرم و جاذبه گرانشی مرتبط را برای نگه داشتن خوشه در کنار هم فراهم می‌کند. تخمین‌های زویکی بیش از یک مرتبه بزرگ بود که عمدتا به دلیل منسوخ بودن مقدار ثابت هابل بود.

همین محاسبه امروز کسری کوچک‌تر را نشان می‌دهد که از مقادیر بیشتری برای جرم نورانی استفاده می‌کند. با این وجود، زویکی از محاسبه‌های خود به درستی نتیجه گرفت که بخش عمده‌ای از مواد مربوط به ماده تاریک است.

نشانه‌های ماده تاریک

آیناز فیض‌اله‌پور:

• نشانه‌های بیشتری از این ماده وجود دارد؟

در همین رابطه بخوانید: عمیق‌ترین تصویر از کیهان که جیمز وب ثبت کرده است

علی صفاری:

نشانه‌های بیشتر از ناهنجاری‌های نسبت جرم به نور از اندازه‌گیری منحنی‌های چرخش کهکشان‌ها به دست آمد. در سال ۱۹۳۹، هوراس دبلیو بابکاک (Horace W. Babcock)، ستاره‌شناس آمریکایی، منحنی چرخش کهکشان آندرومدا را گزارش کرد که نشان می‌دهد نسبت جرم به درخشندگی به صورت شعاعی افزایش می‌یابد.

او این امر را به دلیل جذب نور در کهکشان یا دینامیک اصلاح‌شده در بخش‌های بیرونی مارپیچ و نه به ماده گمشده‌ای که کشف کرده بود نسبت داد. به دنبال گزارش بابکاک در سال ۱۹۳۹ از چرخش سریع غیرمنتظره در حومه کهکشان آندرومدا و نسبت جرم به نور ۵۰، در سال ۱۹۴۰ یان اورت هاله بزرگ نامرئی NGC 3115 را کشف کرد و درباره آن نوشت.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• مشاهده‌ها از این ماده در دهه‌های ۱۹۶۰ چگونه بود؟

علی صفاری:
در دهه‌های ۱۹۶۰ مشاهده‌های اولیه نجوم رادیویی که توسط ست شوستاک (Seth Shostak)، اخترشناس ارشد موسسه جست‌وجوی هوش فرازمینی (SETI) انجام شد، نشان داد یک دوجین کهکشان با سرعت بیش از حد در نواحی بیرونی خود می‌چرخند که به وجود ماده تاریک اشاره دارد.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• در دهه‌های ۱۹۷۰ چطور ؟

علی صفاری:

در دهه ۱۹۷۰ کار ستاره‌شناسانی به نام‌های ورا روبین (Vera Rubin)، کنت فورد (Kent Ford) و نیز کن فریمن (Ken Freeman) در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ شواهد قوی‌تری ارائه کرده و از منحنی‌های چرخش کهکشان‌ها بهره گرفتند. روبین و فورد با یک طیف‌نگار جدید کار کردند تا منحنی سرعت کهکشان‌های مارپیچی لبه‌ای را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کنند. این نتیجه در سال ۱۹۷۸ تایید شد.

یک مقاله تاثیرگذار نتایج روبین و فورد را در سال ۱۹۸۰ ارائه کرد. بنابراین در حدود سال ۱۹۸۰ نیاز آشکار به ماده تاریک به طور گسترده به عنوان یک مشکل عمده حل‌نشده در نجوم شناخته شد.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• زمانی که روبین و فریمن در حال بررسی بودند و از منحنی‌های چرخش کهکشان‌ها بهره می‌بردند، بقیه دانشمندان برای مشاهده و اثبات وجود ماده تاریک چه می‌کردند؟

علی صفاری:

بیشتر فعالیت‌ها بر دقیق‌تر شدن اندازه‌گیری‌ها در سرعت چرخش کهکشان‌ها و جرم خوشه‌های کهکشانی با استفاده از عدسی‌های گرانشی و مقایسه با با دیگر شواهد کیهان شناسی بود.

تعریف فنی ماده تاریک

آیناز فیض‌اله‌پور:

• تعریف فنی ماده تاریک و جایگاه آن در ریاضیات را بیان کنید.

در همین رابطه بخوانید: جهان هستی به زودی به شکل قابل توجهی کوچک می‌شود!

علی صفاری:

با توجه به شواهد رصدی، توزیع چگالی ماده تاریک به صورت تابع بر حسب فاصله از مرکز نوشته می‌شود که در نزدیکی مرکز برای آن مدل‌های مختلفی همچون مدل ΝFW و مور (Μoor) ارائه می‌گردد. بر اساس این توزیع‌ها و روابط مربوط به برهم‌کنش مدل‌ها می‌توان شدت پرتوهای ایکس و گاما را پیش‌بینی و با داده‌های تجربی مقایسه کرد.

آیناز فیض‌اله‌پور:

• ساختار این ماده را چطور بیان می‌کنید؟

علی صفاری:

شکل‌گیری ساختار به دوره‌ای پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ اطلاق می‌شود که اغتشاش‌های چگالی فرو ریختند و ستاره‌ها، کهکشان‌ها و خوشه‌ها را تشکیل دادند. قبل از تشکیل ساختار، راه‌حل های فریدمن برای نسبیت عام، یک جهان همگن را توصیف می‌کنند.

بعدها، ناهمسان‌گردهای کوچک به تدریج رشد نمودند و جهان همگن را به ستاره‌ها، کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ‌تر متراکم کردند. ماده معمولی تحت تاثیر تشعشع بوده که عنصر غالب جهان در زمان‌های بسیار اولیه است. در نتیجه، اغتشاش‌های چگالی آن شسته شده و نمی‌توانند در ساختار متراکم شوند.

اگر فقط ماده معمولی در جهان وجود داشت، زمان کافی برای رشد اغتشاش‌های چگالی در کهکشان‌ها و خوشه‌هایی که در حال حاضر مشاهده می‌شوند، وجود نداشت. ماده تاریک راه‌حلی برای این مشکل ارائه می‌دهد، زیرا تحت تاثیر تشعشع قرار نمی‌گیرد.

بنابراین، اغتشاش‌های چگالی آن می‌تواند ابتدا رشد کند. پتانسیل گرانشی حاصل به عنوان یک «چاه پتانسیل» جذاب برای مواد معمولی عمل می‌کند که بعدا فرو می‌ریزند و روند تشکیل ساختار را سرعت می‌بخشد. بنابراین، اغتشاش‌های چگالی آن می‌تواند ابتدا رشد کند. پتانسیل گرانشی حاصل به عنوان یک چاه پتانسیل جذاب برای مواد معمولی عمل می‌کند که بعدا فرو می‌ریزند و روند تشکیل ساختار را سرعت می‌بخشد.

از این رو هرچند امروزه در آزمایشگاه‌های پیشرفته و حساس ذره‌های کیهانی را رصد می‌کنیم، اما با وجود فراوانی زیاد ماده تاریک در سراسر کهکشان‌ها هنوز قادر به آشکارسازی این ماده مرموز نشده‌ایم. امروزه فرضیه‌های زیادی مطرح شده است که مسئله ماده تاریک را حل کند؛ از جمله این فرضیه ها وجود نوعی از ذره‌های بنیادی است که با مشخصه‌های آن‌ها می‌توان به جستجوی این ماده پرداخت.

امروزه در فیزیک ذره‌های بنیادی فرضیه‌هایی هستند که به ما می‌گویند ماده تاریک آن‌قدر‌ها هم تاریک نیست و می‌تواند برهم‌کنش بسیار ضعیفی با ذره‌های ماده معمولی داشته باشد. در اثر این برهم‌کنش‌ها پرتوهای پرانرژی ایکس و گاما تولید می‌شود که با تلسکوپ‌های پرانرژی فضایی قابل مشاهده‌اند.

با مطالعه امواج ایکس و گامای رسیده از هاله کهکشان خودمان و کهکشان‌های دیگر می‌توانیم به مطالعه دقیق این امواج در طیف‌های مختلف بپردازیم و مدل‌ها و فرضیه‌های مختلفی که برای ذره‌های ماده تاریک مطرح کرده‌ایم را مورد ارزیابی قرار دهیم.

همچنین بر روی زمین آشکارسازهای بسیار حساسی همچون آزمایشگاه زنون (XENON) ایتالیا، فرمی (Fermilab) آمریکا و رصدخانه‌های نوترینو (Neutrino) سراسر دنیا وجود دارند تا در صورت برهم‌کنش بسیار ضعیف ماده تاریک با ماده معمولی بتوان به حضور این ذره‌های تاریک پی برد.