ماده تاریک چیست؟

تقریبا 80 درصد جرم جهان از ماده ای تشکیل شده که دانشمندان نمی توانند آن را به صورت مستقیم مشاهده کنند. این ماده عجیب که با نام ماده تاریک شناخته می شود، از خود نور یا انرژی ساطع نمی کند. پس چرا دانشمندان فکر می کنند بخش عمده جهان از این ماده ساخته شده است؟

اولین بار، مطالعات انجام شده بر روی سایر کهکشان ها در دهه 1950 میلادی نشان داد که جهان ماده بیشتری نسبت به آن چیزی که با چشم غیرمسلح دیده می شود، دارد. در طی گذر سال ها، حمایت های علمی از نظریه وجود ماده تاریک افزایش یافته و اگرچه تا الان مدرک مستقیمی مبنی بر وجود ماده تاریک پیدا نشده اما احتمالاتی قوی در این زمینه وجود دارد.

Pieter van Dokkum، محقق دانشگاه Yale University در بیانیه ای گفت:” حرکت ستاره ها مقدار ماده موجود در جهان را مشخص می کنند. برای ستاره ها مهم نیست ماده موجود در جهان به چه شکلی است، آن ها فقط به شما می گویند که وجود دارد”. van Dokkum کسی است که سرپرستی تیمی که کهکشان Dragonfly 44 را کشف کرد را به عهده داشت.  این کهکشان تقریبا به طور کامل از ماده تاریک تشکیل شده است.

ماده شناخته شده تشکیل دهنده جهان که نام آن ماده باریونی است از پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها تشکیل شده است. ماده تاریک می تواند از ماده باریونی و یا ماده غیر باریونی ساخته شده باشد. برای این که ماده تاریک بتواند عناصر جهان را در کنار یکدیگر نگه دارد، باید حدود 80 درصد از ماده جهان را تشکیل دهد.
ماده گمشده ممکن است متشکل از همان ماده باریونی معمولی باشد که تنها تشخیص دادنش کمی سخت تر است. گزینه های احتمالی شامل کوتوله های قهوه ای کم نور، کوتوله های سفید و ستاره های نوترونی هستند. ابرسیاهچاله ها نیز می توانند بخشی از این اختلاف جرم باشند. اما این ابرسیاهچاله ها که مشاهده آن ها بسیار سخت است باید نقش بسیار پر رنگ تری نسبت به آنچه دانشمندان مشاهده کرده اند داشته باشند تا بتوانند جرم گم شده جهان را تشکیل دهند. این ها در حالی است که عوامل دیگری نشان می دهد که ماده تاریک منشایی خارجی دارد.

بیشتر دانشمندان تصور می کنند ماده تاریک از ماده غیرباریونی ساخته شده است. گزینه اصلی در این زمینه، ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف(WIMPs) هستند. جرم این ذرات 10 تا 100 برابر پروتون است اما بر هم کنش ضعیف آن ها با ماده معمولی تشخیص آن ها را دشوار می کند. نوترالینو ها، ذرات فرضی سنگینی هستند که از نوترینو ها سنگین تر بوده ولی سرعت کمتری نسبت به آن ها دارند. اگرچه این ذرات هنوز مشاهده نشده اند اما با این وجود نوترالینوها کاندیدای اصلی ماده تشکیل دهنده ماده تاریک به شمار می روند.

نوترینو های استریل یکی دیگر از گزینه ها به شمار می روند. نوترینو ها ذراتی هستند که در ساختار ماده معمولی وجود ندارند. جریانی از نوترینو ها از خورشید تابش می شود اما بخاطر این که این ذرات به ندرت با ماده معمولی برهم کنش دارند به راحتی از زمین و ساکنینش عبور می کنند. سه نوع نوترینوی شناخته شده وجود دارد؛ نوع چهارم که نوترینوی استریل نام دارد به عنوان گزینه ی احتمالی ماده تاریک در نظر گرفته می شود. نوترینوی استریل از طریق گرانش با ماده معمولی برهم کنش خواهد داشت.

Tyce DeYoung، دانشیار فیزیک و ستاره شناسی دانشگاه Michigan State University و یکی از مشارکت کنندگان آزمایش IceCube به وب سایت Space.com گفت:” یکی از سوالات اساسی این است که آیا الگویی برای درصد هر کدام از انواع نوترینو وجود دارد یا نه؟”.

ذرات کوچک تر اکسیون که خنثی هستند و همچنین ذرات فوتینو دیگر کاندیدا های ماده تاریک به شمار می روند.

بنا به بیانیه آزمایشگاه ملی Gran Sasso (LNGS) در کشور ایتالیا، “چندین اندازه گیری فضایی وجود ماده تاریک را تایید کرده اند که این امر منجر به تلاشی جهانی برای مشاهده مستقیم برهم کنش ذرات ماده تاریک با ماده معمولی در آشکارساز هایی بسیار حساس شده است. این کار موجب تایید وجود ماده تاریک و پرده برداری از خواص آن می شود. با این وجود، این بر هم کنش ها به قدری ضعیف هستند که تا این لحظه، از آشکار شدن مستقیم گریخته اند و دانشمندان را مجبور کرده اند تا آشکارساز های حساس تری بسازند”.

البته احتمال سومی نیز وجود دارد و آن این است که قوانین گرانش که تاکنون حرکت اجسام در داخل منظومه شمسی را با موفقیت توصیف کرده اند به بازبینی نیاز دارند.

اثبات آنچه دیده نشده

اگر دانشمندان نمی توانند ماده تاریک را ببینند، چگونه می دانند که وجود دارد؟

دانشمندان جرم اجسام بزرگ در فضا را با بررسی حرکتشان محاسبه می کنند. ستاره شناسانی که در دهه 1950 میلادی کهکشان های مارپیچی را مورد بررسی قرار می دادند انتظار داشتند تا ماده در مرکز کهکشان سریع تر از کناره های آن حرکت کند. اما آن ها مشاهده کردند که ستاره ها در هر دو محل با سرعتی برابر حرکت می کنند که این نشان می داد کهکشان ها دارای جرم بیشتری نسبت به آنچه دیده می شود هستند. همچنین مطالعات بر روی گاز داخل کهکشان های بیضوی نیز نیاز به جرمی بیشتر از آنچه در اجرام فضایی داخل آن کهکشان دیده می شود را نشان می دهد. در صورتی که خوشه های کهکشانی تنها دارای جرمی بودند که با اندازه گیری های متداول ستاره شناسی اندازه گیری شده است، به راحتی از یکدگیر جدا می شدند.

آلبرت انیشتین نشان داد که اجسام پر جرم در جهان نور را خم می کنند، در نتیجه می توان از آن ها به عنوان عدسی استفاده کرد. با مطالعه نحوه تغییرشکل نور توسط خوشه های کهکشانی ، ستاره شناسان توانسته اند نقشه ای از ماده تاریک در جهان تهیه کنند.

همه روش های فوق علایم قوی ارائه می کنند که نشان می دهد بیشتر ماده تشکیل دهنده جهان، ماده ای است که هنوز مشاهده نشده است.

آزمایش ها

اگرچه ماده تاریک با ماده معمولی متفاوت است اما در حال حاضر چندین آزمایش تحقیقاتی بر روی نحوه آشکارسازی این ماده غیرعادی کار می کنند.

اسپکترومتر مغناطیسی آلفا(AMS) که یک آشکارساز ذره ای بسیار حساس در ایستگاه فضایی بین المللی می باشد از زمان نصب خود در سال 2011 به طور مداوم در حال کار کردن بوده است. تاکنون AMS توانسته بیش از 100 میلیارد برخورد پرتو های کیهانی با تشخیص دهنده هایش را ثبت کند. Samuel Ting دانشمند اصلی AMS از دانشگاه MIT وبرنده جایزه نوبل در این باره می گوید:

” ما مقدار بیش از حدی از پوزیترون(همتای ضدماده یک الکترون) را ثبت کرده ایم و این مقدار اضافی پوزیترون می تواند ناشی از ماده تاریک باشد. اما در حال حاضر، هنوز هم به داده های بیشتری نیاز داریم تا بتوانیم اطمینان حاصل کنیم که این امر ناشی از ماده تاریک و نه از یک منبع نجومی عجیب و ناشناخته دیگر است.  برای همین هم لازم است تا چندسال دیگر نیز به آزمایش خود ادامه دهیم”.

اگر دوباره به سطح زمین برگردیم، در زیر کوهی در ایتالیا، پروژه تحقیقاتی XENON1T در آزمایشگاه LNGS به دنبال شکار نشانه هایی از برهم کنش، پس از برخورد  WIMP ها با اتم های زنون است. این آزمایشگاه اخیرا اولین نتایج این آزمایش را منتشر کرده است.

سخنگوی این پروژه، Elena Aprile که استاد دانشگاه Columbia است در بیانیه ای اعلام کرد:” بسیار مفتخریم که با کمک این آشکارساز فوق العاده که اولین مدل از نوع خودش می باشد، در خط مقدم این مسابقه علمی برای اثبات وجود ماده تاریک قرار داریم”.

آزمایش بزرگ زیرزمینی زنون-ماده تاریک(LUX) که در یک معدن طلا در ایالت داکوتای جنوبی قرار دارد نیز به طور مشابه به دنبال نشانه هایی از بر هم کنش میان WIMP ها و زنون است. تا امروز، این ابزار نتوانسته این ماده مرموز را آشکار کند.

Cham Ghag، فیزیکدان دانشگاه University College London و یکی از مشارکت کنندگان پروژه تحقیقاتی LUX در بیانیه ای گفت:” اگرچه یک سیگنال مثبت ما را بسیار خوشحال می کرد اما طبیعت آنقدر هم با ما مهربان نبود! با این وجود، یک نتیجه خنثی نیز بسیار مهم است و شِمای کلی این رشته را عوض می کند زیرا این نتایج مدل هایی را که برای توصیف ماده تاریک به کار می روند به فراتر از آنچه تا کنون وجود داشته محدود می کنند.

رصدخانه نوترینویی IceCube، آزمایشی که در زیر یخ های قطب جنوب مدفون شده است، به دنبال شکار نوترینو های استریل است. نوترینو های استریل تنها از طریق گرانش با ماده معمولی برهم کنش دارند که آن ها را به گزینه ای قوی برای ماده تاریک تبدیل می کند.

ابزار های دیگر به دنبال ماده تاریک نیستند بلکه به دنبال اثرات آن می گردند. فضاپیمای Planck متعلق به آژانس فضایی اروپا از زمان پرتاب به فضا در سال 2009 در حال تهیه نقشه ای از جهان هستی می باشد. با زیرنظر گرفتن نحوه برهم کنش جرم جهان، این فضا پیما می تواند ماده تاریک و همکار دیگرش یعنی انرژی تاریک را مورد بررسی قرار دهد.

در سال 2014، تلسکوپ فضایی اشعه گامای ناسا به نام Fermi نقشه هایی از قلب کهکشان راه شیری را با کمک پرتو های گاما تهیه کرد. این نقشه ها انتشار مقادیر بسیار زیادی از پرتوی گاما از هسته کهکشان راه شیری را نشان می دادند.

Dan Hooper، دانشمند اخترفیزیک در Fermilab در ایالت Illinois در این باره می گوید:” سیگنالی که پیدا کردیم را نمی توان با استدلال های دیگر توجیه کرد اما نزدیکی زیادی با پیشبینی های ساده ترین مدل های ماده تاریک دارد.”

محققان می گویند این مقادیر بسیار زیاد از پرتو گاما را می توان با کمک فرضیه نابود شدن ذرات ماده تاریک با جرمی بین 31 تا 40 میلیارد الکترون ولت توجیه کرد. این نتایج مدرکی آشکار برای اثبات وجود ماده تاریک نیستند زیرا داده های اضافی از سایر پروژه ها و یا آزمایشات تشخیص مستقیم نیز لازم هستند تا بتوان تفسیر فوق را صحت سنجی کرد.

ماده تاریک در برابر انرژی تاریک

اگرچه ماده تاریک بیشتر ماده جهان را تشکیل می دهد اما تنها حدود یک چهارم از ترکیب جهان است. بخش عمده جهان از انرژی تاریک تشکیل شده است.

پس از مهبانگ، جهان شروع به گسترش به سمت بیرون کرد. زمانی دانشمندان تصور می کردند که در نهایت انرژی جهان تمام خواهد شد و به مرور سرعت انبساط آن کمتر خواهد شد زیرا گرانش، اجرام داخل آن را به سمت یکدیگر می کشد. اما تحقیقات انجام گرفته بر روی ابرنواختر هایی که در فواصل بسیار دور قرار دارند ثابت کرده که امروزه جهان هستی با سرعتی بیشتر از قبل( نه با سرعتی کمتر) در حال انبساط و گسترش است و این نشان دهنده این است که فرآیند انبساط در حال شتاب گرفتن است. این پدیده تنها زمانی ممکن است که جهان هستی به اندازه کافی انرژی داشته باشد تا بتواند بر گرانش غلبه کند که به این انرژی ناشناخته، انرژی تاریک گفته می شود.