کیهان از چه چیزی تشکیل شده است؟

ستاره ها و کهکشان هایی نظیر آندرومدا یا زن زنجیر گردن و همچنین کهکشان راه شیری ما تنها بخش کوچکی از اجرام آسمانی  را می سازند؛ در باقی کیهان چه می گذرد؟

کیهان از چه چیزی تشکیل شده است؟ این سوالی است که ستاره شناسان هنوز هم به طور کامل به آن پاسخ نداده اند. به دلیل اینکه ستاره شناسان اطلاعات زیادی راجع به ستاره ها و کهکشان ها جمع کرده و می توانند جرم آن ها را با دقت خوبی محاسبه کنند تصور می کنیم پاسخ دادن به این سوال ساده باشد. اما چنین نیست. به راستی ترکیب کیهان چیست؟

کیهان از چه چیز تشکیل شده است؟

این سوالی است که ستاره شناسان هنوز پاسخ کامل به آن نداده اند.به دلیل اینکه ستاره شناسان در رابطه با کهکشان ها و ستاره ها اطلاعات خوبی دارند به نظر می رسد که اندازه گیری جرم ستاره ها و کهکشان ها و تخمین جرم و ماهیت کیهان به راحتی امکان پذیر باشد اما برای اینکه تخمینی از وزن کل کیهان و یا لااقل بخش مرئی آن داشته باشیم آیا می توانیم از ستاره شناسی اشعه ایکس،اشعه مادون قرمزو امواج رادیویی استفاده کنیم؟

البته نفس تخمین وزن کیهان آنقدر که به نظر می رسد پیچیده نیست و ستاره شناسان پیشرفت های خوبی در این زمینه کرده اند.اما مسئله این است که پاسخی که ستاره شناسان به آن رسیده اند پاسخ واضحی نمی باشد زیرا به نظر نمی رسد جهان مرئی وزنی را داشته باشد که ستاره شناسان به آن رسیده اند. باید دید آیا روشی که ستاره شناسان برای جمع زدن وزن اجرام سماوی استفاده کرده اند صحیح می باشد یا چیزی جا افتاده است؟ مثلا آیا چیزی هست که نمی توانیم آن را ببینیم؟ بیایید نگاهی بیندازیم به چگونگی اندازه گیری جرم کیهان.

اندازه گیری جرم کیهان

یکی از بزرگترین شواهدی که در رابطه با جرم کیهان وجود دارد cmb یا پسزمینه ی امواج ریز کیهانی می باشد. cmb کمی بعد از انفجار بزرگ یا big bang به وجود آمد و در واقع دمای کنونی کیهان را تشکیل داده است.

cmb در واقع گرمایی است که از تمام جهات کیهان قابل دریافت و اندازه گیری می باشد و مقدار آن 7/2 درجه کلوین است. البته در اندازه گیری گرمای کیهان مسائل مهمی است که باید به آن ها توجه شود و باعث تغییر این درجه می شود اما به هرحال این طور به نظر می رسد که کیهان گرمایی به صورت یکدست دارد و هیچ منحنی ویژه ای که نشان از جاهای بسیار گرم یا جاهای بسیار سرد داشته باشد در آن مشاهده نمی شود به جز خود اجرام سماوی که دماهای خاص خود را دارند.

برای اینکه ساختار کیهان ساختاری متعادل و متوازن باشد با توجه به اندازه کیهان باید مقدار مشخصی جرم و انرژی در آن موجود باشد.

حال مسئله چیست؟ مسئله این است که زمانی که تمام مواد موجود در بخش مرئی کیهان را با هم جمع می کنیم (نظیر ستاره ها، کهکشان ها و گاز بین اجرام سماوی) تنها به 5% از چگالی مورد نظر کیهان که آن را به صورت متعادل در بیاورد می رسیم. حال باید پرسید که باقی 95% جرم کیهان در کجاست. به نظر دانشمندان 95% باقیمانده ی کیهان ماده سیاه و انرژی سیاه باشد.

ساختار کیهان

بنابراین به این نتیجه می رسیم جرم هایی هستند که ما قادر به دیدن آن ها هستیم این جرم ها را جرم های باریونی می نامیم. در عین حال جرم هایی هم هستند که نمی توانیم آن ها را ببینیم و ما آن را ماده سیاه می نامیم. همچنین انرژی هایی هست که می توانیم اندازه بگیریم که به آن نور می گوییم و انرژی هایی هست که قابل اندازه گیری نیست و به آن انرژی سیاه می گوئیم. حال می توانیم نتایج زیر را در رابطه با ترکیب سازنده کیهان ببینیم:

عناصر سنگین

حدود 3 صدم جرم کیهان را تشکیل می دهند. برای حدود نیم میلیارد بعد از تولد کیهان تنها عناصری که در کیهان موجود بودند هیدروژن و هلیم بودند. تا زمانی که ستاره ها متولد نشده بودند عناصر سنگین تر در کیهان موجود نبودند.

تا زمانی که ستاره ها هیدروژن یا عناصر دیگر را در مرکز یا هسته خود گرفته و با همجوشی به مواد و عناصر جدید رسیدند در کیهان فقط هیدروژن و هلیم موجود بود. زمانی که ستاره ها بعد از پایان عمرشان می مردند تمام عناصری که در بدنه ستاره و هسته ستاره موجود بود با انفجار ابونواختری به فضا پراکنده می شدند.

بعد از اینکه این اتفاق می افتاد عناصر در فضا پراکنده می شدند و می توانستند باعث شکل گیری ستاره های جدید ، سیاره ها و دیگر اجرام سماوی شوند. این فرآیندی آهسته بود و حتی حدود 14 میلیارد بعد از به وجود آمدن کیهان هنوز شاهد ایجاد ستاره ها یا اجرام سماوی جدید از عناصری که ناشی از مرگ ستاره ها بودند هستیم. تنها بخش کوچکی از جرم کیهان را عناصر سنگین تر از هلیم تشکیل می دهند.

نوترینوها

3 دهم درصد جرم کیهان را تشکیل می دهند. نوترینوها در زمان همجوشی هسته ای در هسته ی ستاره ها تشکیل شده اند و ذرات تقریبا بی جرمی هستند که تقریبا با سرعت نور پراکنده می شوند. نوترینو ها به صورت مزدوج بوده و باردار نیستند نتیجتا نمی توانند واکنش هایی با مواد دیگر و ذرات دیگر داشته باشند مگر اثر مستقیمی که روی هسته ی عناصر دارند. اندازه گیری مقدار نوترینوهای کیهان با توجه به نرخ همجوشی هسته ای خورشید و دیگر ستاره ها ما را به مقدار تخمینی نوترینوها در کیهان می رساند.

ستاره ها

حدود 4/0 درصد جرم کیهان را تشکیل می دهند. زمانی که ما به آسمان شب نگاه میکنیم بیشتر چیزی که می بینیم ستاره ها هستند. در واقع  وقتی که ما به نوری که از کهکشان های دیگر و ستاره ها می رسد نگاه می کنیم بیشتر چیزی که می بینیم ستاره ها هستند و نه اجرام دیگر. با این حال هنوز هم ستاره ها تنها بخش کوچکی از کهکشان ما را ساخته اند.

گازها

حدود 4 درصد از جرم کیهان را گازها تشکیل می دهند. مجموع جرم گازها بسیار بیشتر از ستاره ها است و معمولا فضای بین ستاره ها را اشغال می کنند. همچنین ماده بین کهکشان های مختلف هم گاز است. گاز بین ستاره ای که بیشتر از هلیوم و هیدروژن تشکیل شده بیشتر جرم کیهانی را که می توانیم به صورت مستقیم اندازه گیری کنیم در خود جای داده است. ما گازها را نمی بینیم (مثلا زمانی که از تلسکوپ به فضا نگاه می کنیم در حالت عادی گازی مشاهده نمی شود) بلکه می توانیم وجود آنها را با استفاده از ابزارهای حساس به امواج رادیویی، امواج اشعه ایکس و امواج مادون قرمز تشخیص دهیم.

ماده سیاه

حدود 22 درصد از جرم کیهان را به خود اختصاص داده است. با تجزیه و تحلیل حرکات و گردش های کهکشان ها و همچنین واکنش هایی که بین کهکشان های مختلف در خوشه های کهکشانی  مشاهده می شود محققان به این نتیجه رسیدند که تمام گازها و گرد و خاک های موجود کافی نخواهند بود تا چیزی را که در کیهان وجود دارد توصیف کنند.

در واقع حدود 80 درصد از جرم کهکشان های ما “سیاه” است یعنی موادی که نمی توان آن ها را با امواج نور یا امواج رادیویی یا از طریق اشعه ی گاما اندازه گیری کرد.

هویت این جرم مشکوک ومرموز چیست؟ این جرم ناشناخته است. تنها می دانیم که این جرم ماده ی سیاه سردی است که از لحاظ شکل شبیه ذره نوترینوها بوده اما جرم بسیار بیشتری از نوتورینوها دارد. به نظر می رسد که این ذرات که ذرات سنگین کم واکنش (wimp) هستند از واکنش های گرمایی آغاز تشکیل کهکشان ها ساخته شده باشند. با این حال با توجه به اینکه ما در حال حاضر نمی توانیم ماده سیاه را شناسائی کنیم ( چه به صورت مستقیم و چه به صورت غیر مستقیم) و از طرفی نمی توانیم آن را در آزمایشگاه تولید کنیم اطلاعات چندانی راجع به آن نداریم.

انرژی سیاه (73 درصد جرم کیهان)

در نهایت به ماده ای می رسیم که بیشترین جرم کیهان را به خود اختصاص داده است و در عین حال اطلاعات بسیار جزئی راجع به آن داریم. در واقع انرژی سیاه ممکن است اصلا جرم حجمی بالایی نداشته باشد و یکی از مشخصه های بسیار عجیب بعد زمان-فضا باشد که قادر به توصیف آن نیستیم. این جرم ناشناخته می تواند میدان های انرژی باشد که تا به حال دانشمندان پی به آن نبرده اند و کل کیهان را در بر گرفته است. در عین حال ممکن است انرژی سیاه هیچکدام از اینها هم نباشد. چیزی در رابطه با انرژی سیاه نمی دانیم و باید صبر کنیم تا زمان زیادی بگذرد و با کامل تر شدن دانسته هایمان اطلاعاتی راجع به انرژی سیاه کسب کنیم.

منبع: About