ماده تاریک، اسرار آمیز ترین راز دنیای اخترفیزیک

ماده تاریک یا Dark Matter چیست؟ تقریبا ۸۰ درصد از جرم کائنات از ماده‌ای ساخته شده که دانشمندان نمی‌توانند به طور مستقیم آن را مشاهده کنند. به این ماده ناشناخته و عجیب ماده تاریک اطلاق می‌شود.

ماده‌ تاریک یکی از سر به مهر‌ترین راز‌های کیهان پیرامون ما به شمار می‌رود و دانشمندان سال‌هاست در تلاش‌اند تا به مفهوم واقعی آن پی ببرند. اما ما چندان هم در مطالعات مربوط به این ماده سرگردان نیستیم. ماده تاریک هیچگونه نور و یا انرژی از خود منتشر نمی‌کند. با این تفاسیر چرا دانشمندان معتقدند که ماده غالب در سراسر جهان است؟

مطالعه بر روی سایر کهکشان‌ها در دهه ۱۹۵۰ این موضوع را روشن کرد که بخش عمده موادی که کائنات را تشکیل داده با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند. از آن زمان تاکنون بسیاری به حمایت از وجود ماده تاریک پرداخته‌اند، اما تاکنون عدله مستقیم و محکمی مبنی بر وجود آنها ارائه نشده است. با این همه صحبت از آن در سال‌های اخیر افزایش پیدا کرده است.

تاریخچه ماده تاریک

بازگردیم به آوریل  ۱۹۳۰، جایی که “یان اورت” اختر شناس هلندی با بهره‌گیری از اثر دوپلر (در فیزیک به تغییر بسامد ظاهری یک موج بدلیل تغییر مکان فرستنده یا گیرنده اثر دوپلر اطلاق می‌شود) به سنجش سرعت ستارگان موجود در کهکشان راه شیری مبادرت ورزید. اورت سرعت ستارگان را بسیار بیشتر از چیزی که تصور می‌کرد، محاسبه نمود. همچنین نتایج به دست آمده توسط او از نیروی گرانشی حکایت می‌کرد که با مقدار جرم موجود در جهان که به طرق مختلف شناسایی شده بود، مطابقت نداشت.

عددی که اورت برای سرعت ستارگان محاسبه کرده بود آنچنان زیاد بود که حتی امکان گریز ستارگان از کهکشان راه شیری نیز وجود داشت، اما در عمل چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. اورت نتیجه گرفت که می‌بایستی ماده‌ای غیر قابل مشاهده و با اثرات گرانشی قوی وجود داشته باشد. به این ترتیب لزوم وجود ماده‌ای ناشناخته با کشش گرانشی اثبات شد.

معمای چنین ماده ناشناخته‌ای با مطالعات “فریتز زویکی” بر روی خوشه کهکشانی گیسو (Com)، سخت‌تر هم شد. مطالعات زویکی مقیاس وسیع‌تر و زاویه دید بازتری نسبت به تحقیقات اورت داشتند. زویکی با تمرکز بر روی سرعت حرکت کهکشان‌ها به همان نتایج مشاهدات اورت رسید.

همچنین اخترفیزیکدانان تئوری، به کمک قانون سوم کپلر توانستند جرم کلی کهکشان راه شیری را به میزان یک تریلیون برابر جرم خورشید محاسبه کنند. از طرفی دیگر همین جرم با مشاهدات عینی از اجرام کهکشان راه شیری در تما طول موج‌های مختلف قابل بررسی توسط انسان، حدود ۲۰۰ تا ۶۰۰ میلیارد برابر جرم خورشید برآورد شد. در واقع جرم رصدی به دست آمده از کهکشان راه شیری یک ششم جرم تئوری برآورد شده بود.

نقشه‌ای از مقدار ماده موجود در جهان که بخش عمده‌ای از آن را ماده تاریک تشکیل می‌دهد. بخش‌های آبی رنگ، ماده تاریک و قسمت‌های خاکستری موادی است که شناسایی شده‌اند. (اعتبار: سازمان فصایی اروپا/ ناسا/ آزمایشگاه JPL)

طبق تئوری انفجار بزرگ یا بیگ بنگ و نیز قوانین نیوتن-کپلر انتظارات بر این بود که هر چه یک ستاره به مرکز یک کهکشان نزدیک تر باشد، سرعت بیشتری دارد. همچنین اگر ستاره‌ای چنان از مرکز یک کهکشان فاصله بگیرد که از محدوده‌ی گرانش آن خارج شود، دچار کاهش سرعت در حرکت خواهد شد.

اما مطالعات بعدی در که در دهه ۱۹۷۰ انجام شد، ثابت کرد که سرعت حرکت ستارگان از الگوی قوانین نیوتن-کپلر پیروی نمی‌کند. به عبارت دیگر سرعت حرکت ستارگان در تمامی نقاط جهان ثابت است. به این ترتیب تناقضی دیگر آشکار و زمینه برای کشف ماده‌ای برای پر کردن این خلا گرانشی فراهم شد.

همه‌ی این مطالعات و تجزیه و تحلیل‌ها، احتمال وجود ماده تاریک را هر روز بیشتر از پیش به عدد یک نزدیک‌ترمی‌کرد.

ماده تاریک چیست؟

پیتر ون دوکوم (Pieter van Dokkum)، محقق دانشگاه یال (Yale) در بیانیه‌ای عنوان کرده است:

حرکات ستارگان، روشنگر این موضوع است که ما در مورد چه مقداری از ماده صحبت می‌کنیم. این حرکات، شکل آنها را مشخص نمی‌کند، بلکه تنها شاهدی بر وجود آنها هستند.

آقای ون دوکوم رهبری تیمی از محققان را بر عهده دارد که موفق به کشف کهکشانی به نام سنجاقک ۴۴ (Dragonfly 44) شده‌اند. به گفته آنها این کهکشان تماما از ماده تاریک ساخته شده است.

دارک مَتِر شکلی نامانوس از ماده است و در اخترفیزیک به توضیح پدیده‌هایی مانند انفجار بزرگ می‌پردازد که به مقدار زیادی ماده نیاز دارند که از جرم موجود در جهان نیز فراتر می‌رود. تاکنون شواهدی مبنی بر رصد این ماده ارائه نشده است، اثرات قابل توجه‌ای از خود بروز نمی‌دهد، هیچ نوع موج الکترومغناطیسی منتشر شده و یا شرکت در برهم‌کنش با سایر مواد معمول در کائنات در مورد ماده تاریک دیده نمی‌شود.

ماده تاریک در کنار انرژی تاریک بیش از ۹۵ درصد جرم و انرژی موجود در جهان را تشکیل می‌دهند. به طور کلی وجود ماده تاریک را بوسیله اثرات گرانشی‌ آن بر روی مواد معمول و مرئی و نیز همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing) تابش پس‌زمینه کیهانی، می‌توان استدلال کرد.

ماده دخیل در ساختمان کائنات، تحت عنوان ماده باریونی شناخته می‌شود. در فیزیک مواد، مواد باریونی، مواد بسیار سنگینی هستند که شامل ذرات زیراتمی (الکترون، پروتون و نوترون) می‌شوند. احتمالا ماده تاریک حاصل اجتماعی از مواد باریونی و غیر باریونی است.

بر اساس مطالعات انجام شده، اگر ماده تاریک ۸۰ درصد جرم کائنات را تشکیل دهد، تمامی عناصر موجود می‌توانند در کنار یکدیگر به صورت پایدار حضور داشته باشند.

شناسایی این ماده گمشده می‌توانست حقیقتا به چالش بزرگی تبدیل شود. ماده‌ای با ساختاری منظم و مشتمل بر مواد باریونی. از جمله نامزد‌های بالقوه برای تصاحب عنوان ماده تاریک می‌توان به کوتوله‌های قهوه‌ای کوچک، کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی اشاره کرد.

در این میان سیاهچاله‌های کلان جرم نیز گزینه‌های کاملا منحصر به فردی هستند؛ این اجرام اولا به سختی مشاهده می‌شوند، در ثانی غلبه آنها بر کائنات و پراکنش‌شان، آنقدر نیست که بتواند دانشمندان را متقاعد کند. به علاوه ماده تاریک بسیار عجیب‌تر و نامانوس‌تر است.

بسیاری از دانشمندان معتقدند ماده تاریک باید مواد غیر باریونی را شامل بشود. ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPS) اصلی‌ترین گزینه، ده‌ها برابر بیشتر از پروتون جرم دارد؛ اما برهم‌کنش ضعیف آنها با مواد معمولی، شناسایی آنها را دشوار کرده است.

نوترانیلوس‌ها، ذرات فرضی و عظیمی که نسبت به نوترینو‌ها (ذرات بنیادی خنثی و بدون بار) آرام‌تر و سنگین‌تر هستند. با وجود اینکه هنوز این ذرات شناسایی نشده‌اند، اما از گزینه‌های اصلی برای حضور در ساختمان ماده تاریک هستند.

نوترینو‌های بی‌بار (Strile Neutrinos) با اینکه قادر به تشکیل مواد منظم نبوده، اما از دیگر نامزد‌ها هستند. نوترینو‌ها همواره در جریانی که از سمت خورشید ساطع می‌شود، حضور دارند؛ اما به دلیل آنکه با مواد معمولی برهم‌کنش نمی‌دهند از زمین و ساکنین آن گذر می‌کند.

سه نوع از نوترینو‌ها شناخته شده‌‌اند، اما یک نوع چهارم به نام نوترینو خنثی وجود دارد که به عنوان یکی از کاندیدا‌های هویت ماده تاریک نیز به شمار می‌رود. یک نوترینو خنثی می‌تواند به واسطه گرانش با ساختار‌های منظم برهم‌هکنش داشته باشد.

تایس دی‌یانگ (Tyce DeYoung)، استادیار فیزیک و ستاره‌شناسی از دانشگاه میشیگان، می‌گوید: “یکی از سوالات متداول این است که آیا الگویی واحد وجود دارد که در صورت شکسته شدن، گونه‌های مختلف نویترنو را تولید کند.”

لابراتوار ملی گرند ساسو ایتالیا (LNGS) طی بیانیه‌ای اعلام کرده است:

چندین اندازه‌گیری و محاسبه نجومی بر وجود ماده تاریک صحه گذاشته است. این سنجش‌ها را می‌توان مرهون تلاشی در سطح جهانی برای مشاهده مستقیم برهم‌کنش میان ذرات ماده تاریک با ماده‌ای معمولی دانست که توسط شناساگر‌هایی فوق‌العاده حساس صورت می‌گیرد. در مجموع> این مطالعات وجود ماده تاریک را تایید و پرده از جزئیات آن می‌گشاید. با این حال این برهم‌کنش‌ها چنان ضعیف هستند که امکان رصد را در نقطه‌ای مشخص بدلیل گریز دائمی این ذرات به حداقل می‌رساند. به همین دلیل دانشمندان مجبور هستند تا روز به روز حساسیت شناساگرها را افزایش دهند.

یک احتمال سوم نیز وجود دارد. قوانین گرانش تاکنون با موفقیت حرکات اجرام مختلف را تفسیر کرده‌ و این موضوع نشان دهنده ضرورت بازنگری در منظومه شمسی است.

ماده تاریک وجود دارد؟ پس چرا آن را نمی‌بینیم؟

اگر دانشمندان قادر به مشاهده ماده تاریک نیستند، پس از کجا می‌دانند که وجود دارد؟

دانشمندان بوسیله حرکات اجرام فضایی قادر به محاسبه جرمشان هستند. ستاره‌شناسان در دهه ۱۹۵۰، کهکشان‌های مارپیچی را مورد بررسی قرار می‌دادند و انتظار داشتند، سرعت حرکت مواد مرکزی کهکشان‌ها را نسبت به مواد موجود در لبه‌های خارجی بیشتر ببینند و در عوض، آنها در هر دو مطقه ستاره‌هایی را مشاهده کردند که با سرعت‌های یکسان در حال حرکت بودند.

این موضوع نشان می‌داد که هرچه جرم کهکشان‌ها بیشتر باشد، قابل مشاهده‌تر هستند. مطالعه گاز‌های موجود در کهکشان‌های بیضوی بر اهمیت وجود جرم در رویت اجرام تاکید می‌کند. نکته اینجاست، اگر جرمی که یک کهکشان را تشکیل می‌دهد به طور کلی توسط اندازه‌گیری‌های نجومی ما قابل مشاهده باشد، این کهکشان از بین خواهد رفت؛ چرا که مطالعات از ضرورت وجود جرمی دیگر برای حفظ کهکشان خبر می‌دهند.

تصاویر بالا که از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری حاصل شده است و در ۱۰ جولای ۲۰۱۲ منتشر منتشر شده‌اند. توده‌ای از ماده تاریک را در اطراف کهکشان راه شیری نشان می‌دهند. (اعتبار: STScI)

آلبرت انیشتین، فیزیکدان مشهور، ثابت کرده که اجرام بسیار بزرگ می‌توانند پرتو‌های نور را خم و منحرف کنند و به آنها این امکان را می‌دهد که مانند عدسی عمل کنند. با مطالعه نحوه انحراف در پرتو‌های نور توسط خوشه‌های کهکشانی، ستاره‌شناسان توانستند نقشه‌ای از ماده تاریک موجود در کائنات رسم کنند.

همه‌ این روش‌ها، دلایلی بسیار مستدلی ارائه می‌کند مبنی بر اینکه بخش عمده‌ای از مواد موجود در کائنات تا کنون مورد مشاهده قرار نگرفته‌اند. با اینکه ماده تاریک از بسیاری از جهت‌ها با مواد عادی متفاوت است، چندین آزمایش برای شناسایی مواد غیرعادی وجود دارد.

آزمایشی برای اثبات

طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS)، یک شناساگر دقیق ذرات است که در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) وجود دارد و از زمان نصب آن در سال ۲۰۱۱ تاکنون به فعالیت خود ادامه داده است. از آن زمان ، طیف سنج مغناطیسی آلفا که بیش از ۱۰۰میلیارد اشعه کیهانی که با شناساگر‌هایش برخورد کرده را ردیابی کرده است، توسط ساموئل تینگ (Samuel Ting)، دانشمند و برنده نوبل فیزیک در سال ۱۹۷۶ و از موسسه تکنولوژی دانشگاه ماساچوست، هدایت می‌شود.

پروفسور تینگ می‌گوید:

ما پوزیترون‌های -ذرات مثبتی هستند که به عنوان ضد ماده الکترون‌ها تلقی می‌شوند- زیادی را اندازه‌گیری کرده‌ایم، که بخش اضافی آن ممکن است حاصل ماده تاریک باشد. در حال حاضر، ما به داده‌های بیشتری نیاز داریم تا مطمئن شویم منشا پوزیترون‌ها ماده تاریک است و نه یک منبع اخترفیزیک ناشناخته. ما به چند سال دیگر زمان برای مطالعه نیاز داریم.

از اعماق کائنات به روی زمین بازگردیم، در زیر کوهی در کشور ایتالیا، شناساگری ۳۵۰۰ کیلوگرمی XENON1T از زنون مایع ساخته شده که به لابراتوار ملی گرند ساسو ایتالیا (LNGS) تعلق دارد. این شناساگر در جستجوی نشانه‌هایی از برهم‌کنش‌های صورت گرفته پس از برخودر بین ذرات WIMPS و اتم‌های زنون است. این آزمایشگاه چندی پیش نخستین نتایج خود را از آزمایش‌هایش منتشر کرد.

النا آپریله، سخنگوی این پروژه و پروفسور دانشگاه کلمبیا، در بیانه منتشر شده توسط لابراتوار ساسو گفته است:

با شروع پروژه XENON1T ، رقابت‌ها برای شناسایی ماده تاریک توسط شناساگر‌های بزرگ با پس زمینه فوق-پایین بر روی زمین، وارد فاز جدیدی شده است. ما مفتخر هستیم به لطف شناساگر قدرتمند خود، رقابت را پیشتازانه دنبال می‌کنیم و در خط مقدم آن حضور داریم.

آزمایش عظیم تشخیص زیرزمینی ماده تاریک به کمک زنون (LUX)، که در یک معدن طلا در داکوتای جنوبی انجام می‌شود، به جستجوی شواهدی از برهم‌‌کنش میان ذرات WIMPS و اتم‌های زنون است. تا به امروز این ابزار موفق به شناسایی این ماده مرموز نشده است.

چام گاگ، فیزیکدان دانشگاه کالج لندن و از همکاران پروژه LUX، در یک بیانیه اعلام کرده است:

این آزمایش می تواند با محدود کردن مدل‌هایی که برای ماده تاریک ارائه شده است، چشم‌اندازمان را نسبت به این زمینه تحقیقاتی تغییر دهد و شاید شاهد کشفیاتی باشیم که تا پیش از این ثبت نشده بودند.

رصدخانه نوترینو آیس‌کیوب (IceCube)، پروژه‌ای است که در زیر یخ‌های قطب جنوب انجام می‌شود و فعالیت‌اش در راستای کشف نوترینو‌های خنثی است. نوترینو‌های خنثی بدلیل داشتن برهم‌کنش با موادی که ساختار منظم دارند از گزینه‌های اصلی برای ماده تاریک به شمار می‌روند.

سایر ابزار‌ها و تجهیزات، در جستجوی ماهیت ماده تاریک نیستند، بلکه به اثرات آن می‌پردازند. فضاپیمای پلانک متعلق به سازمان فضایی اروپا (ESA) از زمانی که در سال ۲۰۰۹ ماموریت خود را آغاز کرد شروع به ساخت یک نقشه از کائنات نمود. پلانک، در این راستا، به مشاهده چگونگی برهم‌کنش میان مواد در کائنات می‌پردازد. همچنین این توانای را دارد که در کنار ماده تاریک به مطالعه انرژی تاریک نیز بپردازد.

در سال ۲۰۱۴، تلسکوپ فضایی اشعه گاما فرمی (Fermi Gamma Ray Space Telescope) متعلق به ناسا، نقشه‌ای از قلب کهکشان راه شیری در محدوده اشعه گاما تهیه کرد. این نقشه نشان می‌دهد انتشار بیش از حد اشعه گاما از هسته کهکشان منشا می‌گیرد.

در آزمایشگاه Fermilab جستجو سریوژنی برای یافتن ماده تاریک با اسفاده از استوانه‌هایی ساخته شده از دیسک‌های سیلیکونی و ژرمانیومی در راستای یافتن ذراتی که قابلیت برهم‌کنش با ماده تاریک‌ را دارند، انجام می‌شود. (اعتبار: FermiLab)

دان هوپر، اخترفیزیکدان مشغول در آزمایشگاه FermLab می‌گوید:

سیگنال‌هایی که ما پیدا کرده‌ایم توسط گزینه‌های مطرح شده قابل توضیح نیست و با آن دسته از پیشبینی‌ها که مدل‌سازی‌هایی ساده از ماده تاریک ارائه می‌کنند بیشتر هماهنگی دارد.

محققان می‌گوید زیاد بودن اشعه گاما در مرکز کهکشان راه شیری می‌تواند مربوط به نابودی ذرات ماده تاریک با سطحی از انرژی در بازه ۳۱ تا ۴۰ میلیارد الکترون ولت است. با توجه به این نتایج ماده تاریک قابلیت چندانی در انتشار ندارد. در مجموع انجام پروژه‌ها و آزمایش‌های شناسایی بیشتری برای دستیابی به داده‌های بیشتر برای تجزیه‌ و تحلیل نیاز است.

انرژی تاریک، قوی‌تر از ماده تاریک است

با اینکه گفته شد ماده تاریک بخش زیادی از ماده کائنات را تامین می‌کند. اما مطالعات نشان می‌دهد، این مقدار تنها معادل یک چهارم ساختار جهان است. بله! جهان تحت سلطه مفهوم دیگری به نام انرژی تاریک است. انرژی تاریک بخش عمده مواد تشکیل دهنده کائنات را شامل می‌شود.

پس از انفجا بزرگ یا بیگ بنگ، جهان رویه گسترش به سمت بیرون را در پیش گرفت. دانشمندان تا پیش از این تصور می‌کردند که سرانجام این فرآیند با کمبود انرژی مواجه خواهد شد و طی یک روندی آهسته‌تر کشش جاذبه، اجرام را به سمت یکدیگر سوق می‌دهد. اما مطالعه ابرنواختر‌های دوردست نشان می دهد روند گسترش جهان نسبت به گذشته سریع‌تر شده است نه آهسته‌تر.

همچنین نشان ‌دهنده فاکتور شتاب در روند این گسترش است. این مشاهدات با میزان انرژی که ما برای جهان متصور هستیم جور در نمی‌آید. به طور حتم کائنات از انرژی کافی برای غلبه بر جاذبه و سبب شدن گسترش خود برخوردار است. چنین ماده ناشناخته‌ای را ماده تاریک می‌نامیم.