۱۱ پرسش بی‌پاسخ در مورد "ماده تاریک"

به گزارش ایسنا و به نقل ازلایو ساینس، ماده تاریک(Dark Matter) نوعی از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان شناسی ارائه شده است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است. ماده تاریک به‌طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست، مشخصاً ماده تاریک، نور یا سایر امواج الکترومغناطیسی را به میزان قابل توجهی جذب یا منتشر نمی‌کند. به بیان دیگر ماده تاریک به سادگی ماده‌ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی‌دهد. در عوض وجود و ویژگی‌های ماده تاریک را می‌توان به‌طور غیرمستقیم و از طریق تأثیرات گرانشی‌اش بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت.

طبق داده‌های تیم ماموریت پلانک در سال 2013 و بر پایه مدل استاندارد کیهان شناسی، کل جرم-انرژی موجود در جهان شناخته شده شامل 4.9 درصد ماده معمولی، 26.8 درصد ماده تاریک و 68.3 درصد انرژی تاریک تشکیل شده‌ است.

اخترفیزیک‌دانان فرضیه ماده تاریک را مطرح نمودند تا اختلاف میان جرم محاسبه‌ شده برای اجرام غول‌پیکر آسمانی توسط دو روش استفاده از تأثیرات گرانشی آنها یا استفاده از مواد درخشان درون آن‌ها(ستارگان، گاز و غبار) را توضیح دهند. این فرضیه نخستین بار توسط "یان اورت" در سال 1932 برای توضیح سرعت‌های مداری ستارگان در کهکشان راه شیری و توسط فریتز زوییکی در سال 1933 برای توضیح شواهد مربوط به «جرم گمشده» در سرعت‌های مداری کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی مطرح گردید. در پی آن بسیاری از مشاهدات دیگر نیز مطرح گشت که دلالت بر وجود ماده تاریک در جهان داشتند. از جمله این مشاهدات می‌توان به مشاهده سرعت‌های چرخشی کهکشان‌ها توسط "ورا روبین" در دهه‌های 1960–1970، همگرایی گرانشی اجسام پس‌زمینه توسط خوشه‌های کهکشانی همچون خوشه گلوله، الگوهای ناهمسانگردی دما در تابش زمینه کیهانی اشاره نمود.

کیهان‌شناسان توافق نظر دارند که ماده تاریک عمدتاً از نوعی ذره زیراتمی ناشناخته تشکیل شده‌ است. جستجو برای یافتن این ذره با استفاده از وسایل گوناگون یکی از تلاش‌های اصلی فیزیک ذرات بنیادی است.

اگرچه وجود ماده تاریک به‌ طور عمومی توسط جامعه علمی مورد پذیرش قرار گرفته‌ است، اما نظریه‌های جایگزینی نیز برای گرانش ارائه شده‌اند. مثلاً می‌توان به دینامیک نیوتنی اصلاح شده(MOND) اشاره نمود که سعی در توضیح این مشاهدات غیرمعمولی بدون نیاز به معرفی جرم اضافی را دارند.

شبکه ماده تاریک

در دهه 1930 یک ستاره شناس سوئیسی به نام "فریتز زوییکی" متوجه شد کهکشان‌ها در یک خوشه دوردست خیلی سریع‌تر از آنچه که مقدار جرم قابل مشاهده آنها باید اجازه دهد، به دور یکدیگر می‌چرخند. وی این فرضیه را مطرح کرد که یک ماده غیبی که او نام آن را ماده تاریک گذاشت، روی این کهکشان‌ها تاثیر می‌گذارد.

از آن زمان، محققان تأیید کردند که این ماده مرموز را می‌توان در کیهان یافت و اینکه مقدار آن شش برابر بیشتر از ماده معمولی در جهان است که چیزهای معمولی مانند ستاره‌ها و انسان را تشکیل می‌دهد.

با وجود این که ماده تاریک در سراسر جهان مشاهده می‌شود، دانشمندان هنوز به شناخت چندانی از آن دست نیافته‌اند و یک موضوع ناشناخته باقی مانده است.

در اینجا 11 مورد از بزرگترین سوالات بی‌پاسخ در مورد ماده تاریک آورده شده است:

1. ماده تاریک چیست؟

به طرز حیرت انگیزی دانشمندان نسبت به ماده تاریک دقیقاً مطمئن نیستند. در ابتدا برخی دانشمندان حدس می‌زدند که جرم گمشده در جهان از ستاره‌های کوچک در حال ناپدید شدن و سیاه‌چاله‌ها ساخته شده است، هرچند که مشاهدات مفصل نتوانست به اندازه کافی مدرک برای اثبات این ادعا جمع کند.

فرضیه اصلی ماده تاریک در حال حاضر، ذره‌ای فرضی به نام WIMP است که مانند نوترون رفتار می‌کند، با این تفاوت که بین 10 تا 100 برابر سنگین‌تر از پروتون است. با این حال، این فرضیه هم فقط به پیدایش سوالات بیشتری منجر شده است. به عنوان مثال:

2. آیا می‌توانیم ماده تاریک را تشخیص دهیم؟

اگر ماده تاریک از WIMPها ساخته شده باشد، آنها باید در اطراف ما باشند، منتها نامرئی و به سختی قابل ردیابی، پس چرا ما هنوز آن را پیدا نکرده‌ایم؟ در حالی که آنها خیلی با ماده معمولی در تعامل نیستند، همیشه احتمال کمی وجود دارد که یک ذره ماده تاریک بتواند هنگام عبور از فضا به یک ذره عادی مانند پروتون یا الکترون برخورد کند.

بنابراین محققان یک آزمایش را برای مطالعه تعداد زیادی از ذرات معمولی در اعماق زمین، جایی که از تابش تداخلی محافظت می‌شوند و می‌تواند برخورد ذرات ماده تاریک را شبیه سازی کند، طراحی کردند. اما مشکل این است که پس از چندین دهه جستجو، هیچ یک از این آشکارسازها کشف موثقی نداشته‌اند.

آزمایش چینی PandaX در اوایل سال جاری جدیدترین عدم شناسایی WIMP را گزارش کرد. به گفته فیزیکدان‌های دانشگاه کالیفرنیا ریورساید، به نظر می‌رسد ذرات ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMP هستند یا فاقد خواصی هستند که باعث شود مطالعه آنها آسان شود.

3. آیا ماده تاریک از بیش از یک ذره تشکیل شده است؟

ماده معمولی از ذرات روزمره مانند پروتون و الکترون و همچنین یک ترکیب کامل از ذرات عجیب و غریب مانند نوترینوها، میون‌ها و پیون‌ها تشکیل شده است. بنابراین برخی محققان می‌گویند ماده تاریک که 85 درصد از ماده در جهان را تشکیل می‌دهد نیز می‌تواند به همین اندازه پیچیده باشد.

"آندری کاتز" فیزیکدان دانشگاه هاروارد می‌گوید: دلیل خوبی وجود ندارد که تصور کنیم تمام ماده تاریک در جهان از یک نوع ذره ساخته شده است. پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند تا اتم‌های تاریک شکل بگیرند و به گونه‌ای متنوع و جالب به نظر برسند که در دنیای قابل مشاهده وجود دارد.

در حالی که چنین آزمایش‌هایی به طور فزاینده‌ای در آزمایشگاه‌های فیزیک در سراسر دنیا انجام می‌شود، اما تاکنون دانشمندان راهی برای تأیید یک فرضیه پیدا نکرده‌اند.

4. آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

در کنار ذرات اضافی ماده تاریک، این احتمال وجود دارد که ماده تاریک نیروهایی مشابه آنچه را که توسط ماده معمولی احساس می‌شود، تجربه کند. برخی از محققان "فوتون‌های تاریک" را جستجو کرده‌اند که می‌تواند مانند فوتون‌های تبادل شده بین ذرات عادی که باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی می‌شوند، عمل کند.

فیزیکدانان می‌گویند اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت‌های الکترون-پوزیترون می‌توانند یکی از ذرات عجیب و غریب حامل نیرو را نابود و تولید کنند. این اتفاق به طور بالقوه می‌تواند یک بخش کاملاً جدید از جهان را به روی ما باز کند.

5. آیا ماده تاریک از اکسیون‌ها ساخته شده است؟

از آنجا که فیزیکدانان به طور فزاینده‌ای در حال عقب نشینی از فرضیه WIMPها هستند، دیگر ذرات ماده تاریک شروع به جلب علاقه کرده‌اند. یکی از جایگزین‌های پیشرو، ذره‌ای فرضی است که به نام "اکسیون"(axion) شناخته می‌شود. بسیار سبک است.

در حال حاضر اکسیون‌ها در چند آزمایش مورد جستجو هستند. شبیه سازی‌های رایانه‌ای اخیر این احتمال را تقویت کرده است که این ذرات می‌توانند اشیایی شبیه به ستاره را تشکیل دهند و ممکن است تشعشعات قابل ردیابی تولید کند که کاملاً شبیه پدیده‌های اسرارآمیز معروف به انفجارهای رادیویی سریع باشد.

6. خواص ماده تاریک چیست؟

اخترشناسان ماده تاریک را از طریق تعامل گرانشی آن با ماده عادی کشف کردند و اظهار داشتند که این اصلی‌ترین روش برای اثبات حضور آن در جهان است.

محققان در تلاشند تا ماهیت واقعی ماده تاریک را درک کنند، اما چیزهای قابل توجهی برای ادامه کار ندارند. طبق بعضی از فرضیه‌ها، ذرات ماده تاریک باید دارای ضد ذرات خاص خود باشند، به این معنی که دو ذره ماده تاریک هنگام رسیدن به هم، یکدیگر را خنثی می‌کنند.

آزمایش طیف سنج مغناطیسی آلفا(AMS) در ایستگاه فضایی بین المللی از سال 2011 به دنبال نشانه‌های این رفتار خنثی سازی است و تاکنون صدها هزار واقعه را کشف کرده است. دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که اینها از ماده تاریک ناشی می‌شوند.

7. آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد؟

از آنجا که این ماده از ماده معمولی بسیار سنگین‌تر است، غالباً گفته می‌شود ماده تاریک یک نیروی کنترلی است که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را سامان می‌دهد. بنابراین عجیب بود که در اوایل سال جاری اخترشناسان اعلام کردند که یک کهکشان به نام NGC 1052-DF2 را پیدا کرده‌اند که به نظر می‌رسد به هیچ وجه ماده تاریک ندارد.

"پیتر ون دوکوم" از دانشگاه ییل در آن زمان گفت: ماده تاریک ظاهراً الزامی برای تشکیل یک کهکشان نیست.

با این حال یک تیم جداگانه در تابستان با انجام یک تجزیه و تحلیل اعلام کرد که تیم تحقیقاتی ون دوکوم فاصله با کهکشان را به درستی اندازه گیری نکرده است. بدین معنی که ماده قابل رویت آن بسیار کم نور و سبک‌تر از یافته‌های این تیم بوده و بیشتر توده‌های آن در ماده تاریک بوده است. بنابراین این کهکشان هم ماده تاریک دارد.

8. پس نتایج آزمایشات DAMA  / LIBRA چه می‌گویند؟

یک راز دیرینه در فیزیک ذرات نتایج گیج کننده یک آزمایش اروپایی است که به DAMA / LIBRA معروف است. این شناساگر که در یک معدن زیرزمینی در زیر کوه Gran Sasso در ایتالیا واقع شده است، در جستجوی نوسانات دوره‌ای در ذرات ماده تاریک است. این نوسانات باید با توجه به گردش زمین به دور خورشید و حرکت در منظومه شمسی و کهکشان راه شیری که با ماده تاریک احاطه شده است که گاهی اوقات باد ماده تاریک نامیده می‌شود، به وجود آید.

آزمایش DAMA / LIBRA از سال 1997 ادعا کرد که دقیقاً این سیگنال را می‌بیند، اگرچه هیچ آزمایش دیگری چیزی شبیه به این ندیده است.

9. آیا ماده تاریک می‌تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

یک سیگنال از آغاز پیدایش این بحث باعث شده است که برخی فیزیکدانان تصور کنند ماده تاریک ممکن است بار الکتریکی داشته باشد. زیرا تابشی با طول موج 21 سانتی‌متر از نخستین دوره رشد جهان یعنی 180 میلیون سال پس از بیگ بنگ منتشر شده است. سپس توسط هیدروژن سرد که در آن زمان وجود داشته، جذب شده است. هنگامی که این تابش در فوریه سال جاری شناسایی شد، مشخص شد که هیدروژن بسیار سردتر از آنچه دانشمندان پیش بینی می‌کردند، بوده است.

"جولیان مونوز" اخترفیزیک‌دان دانشگاه هاروارد این فرضیه را مطرح کرد که ماده تاریک با یک بار الکتریکی می‌تواند گرما را مثل مکعب‌های یخی که در لیموناد شناور هستند، از هیدروژن رانده باشد. اما این فرضیه هنوز تأیید نشده است.

10.  آیا ذرات معمولی می‌توانند در ماده تاریک محو شوند؟

نوترون‌ها ذرات ماده معمولی با طول عمر محدود هستند. بعد از گذشت حدود 14.5 دقیقه، یک نوترون تنها که از اتم جدا می‌شود، در یک پروتون، الکترون و نوترینو محو می‌شود. اما آزمایشات طراحی شده برای شبیه سازی این شرایط برای ماده تاریک قادر به تشخیص چیزی نبودند. البته دانشمندان می‌گویند این سناریو به شکل دیگری ممکن است هنوز امکانپذیر باشد.

11.  آیا واقعاً ماده تاریک وجود دارد؟

با توجه به دشواری‌هایی که دانشمندان برای کشف و توضیح ماده تاریک با آن روبرو هستند، ممکن است برخی که منطقی فکر می‌کنند، سوال کنند که شاید دانشمندان راه را اشتباه رفته‌اند و اصلا ماده تاریکی وجود ندارد.

سالهاست که برخی از فیزیکدانان این عقیده را مطرح می‌کنند که شاید نظریه‌های ما درباره گرانش نادرست باشند و نیروی بنیادی در مقیاس‌های عظیم متفاوت از آنچه که ما انتظار داریم، عمل می‌کند.