ماده تاریک چیست؟

ماده تاریک در جهان به صورت شبکه ای توزیع شده است (اعتبار تصویر: NASA/JPL-Caltech)

 

بیش از 80 درصد از کل ماده در جهان از موادی تشکیل شده است که دانشمندان هرگز ندیده‌اند. این ماده تاریک نامیده می‌شود و ما فقط وجود آن را فرض می‌کنیم زیرا بدون آن، رفتار ستارگان، سیارات و کهکشانها به سادگی معنا نخواهد داشت. در اینجا چیزی است که ما در مورد آن می‌دانیم، یا بهتر است بگوییم، آنچه فکر می‌کنیم می‌دانیم.

 

ماده تاریک چیست و چرا نامرئی است؟

ماده تاریک کاملاً نامرئی است. نور یا انرژی از خود ساطع نمی‌کند و بنابراین توسط حسگرها و آشکارسازهای معمولی قابل تشخیص نیست. دانشمندان فکر می‌کنند کلید ماهیت گریزان آن باید در ترکیب آن نهفته باشد.

 

ماده مرئی که ماده باریونی نیز نامیده می‌شود از باریون تشکیل شده است – نامی فراگیر برای ذرات زیراتمی مانند پروتون، نوترون و الکترون. دانشمندان فقط حدس می‌زنند که ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده است. می‌تواند از باریون‌ها تشکیل شده باشد، اما می‌تواند غیر باریونی نیز باشد، به این معنی که از انواع مختلفی از ذرات تشکیل شده است.

 

اکثر دانشمندان فکر می‌کنند که ماده تاریک از ماده غیرباریونی تشکیل شده است. اعتقاد بر این است که نامزد اصلی، WIMPS (ذرات عظیم با برهمکنش ضعیف)، جرمی ده تا صد برابر یک پروتون دارد، اما برهمکنش ضعیف آنها با ماده “عادی” تشخیص آنها را دشوار می‌کند. نوترالینوها، ذرات فرضی عظیمی که سنگین‌تر و کندتر از نوترینوها هستند، مهم‌ترین نامزدها هستند، اگرچه هنوز شناسایی نشده‌اند.

 

نوترینوهای عقیم نامزد دیگری هستند. نوترینوها ذراتی هستند که ماده منظم را تشکیل نمی‌دهند. رودخانه‌ای از نوترینوها از خورشید جاری می‌شود، اما از آنجایی که به ندرت با ماده عادی برهم‌کنش می‌کنند، از زمین و ساکنان آن عبور می‌کنند.

 

سه نوع نوترینو شناخته شده است. چهارم، نوترینوی استریل، به عنوان کاندید ماده تاریک پیشنهاد شده است. نوترینوی عقیم فقط از طریق گرانش با ماده معمولی برهمکنش می‌کند.

 

تایس دی یانگ، دانشیار فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی میشیگان و یکی از همکاران رصدخانه نوترینوهای آیس‌کیوب در قطب جنوب، به اسپیس گفت: «یکی از سؤالات مهم این است که آیا الگویی برای کسری که به هر گونه نوترینو می‌رود وجود دارد یا خیر.

 

اکسیون خنثی کوچکتر و فوتینوهای بدون بار – هر دو ذرات نظری – نیز مکان‌هایی بالقوه برای ماده تاریک هستند.

 

چیزی به نام پادماده نیز وجود دارد که همان ماده تاریک نیست. پادماده متشکل از ذراتی است که اساساً مشابه ذرات ماده مرئی اما با بارهای الکتریکی مخالف هستند. این ذرات را آنتی پروتون و پوزیترون (یا پادالکترون) می‌نامند. هنگامی که پادذرات با ذرات برخورد می‌کنند، انفجاری رخ می‌دهد که منجر به خنثی شدن دو نوع ماده از یکدیگر می‌شود. از آنجا که ما در جهانی ساخته شده از ماده زندگی می‌کنیم، بدیهی است که در اطراف آن پاد ماده وجود ندارد، وگرنه چیزی باقی نمی‌ماند. برخلاف ماده تاریک، فیزیکدانان واقعاً می‌توانند ضد ماده را در آزمایشگاه‌های خود بسازند.

 

چرا ما فکر می‌کنیم که ماده تاریک وجود دارد؟

اما اگر نتوانیم ماده تاریک را ببینیم، چگونه متوجه وجود آن شویم؟ پاسخ گرانش است، نیرویی که توسط اجسام ساخته شده از ماده اعمال می‌شود که متناسب با جرم آنها است. از دهه 1920، اخترشناسان این فرضیه را مطرح کردند که جهان باید بیش از آنچه ما می‌توانیم ببینیم حاوی ماده باشد، زیرا نیروهای گرانشی که به نظر می‌رسد در جهان در حال بازی هستند، به سادگی قوی‌تر از آن چیزی به نظر می‌رسند که ماده مرئی به تنهایی برای آن توضیح می‌دهد.

 

پیتر ون داکوم، محقق دانشگاه ییل در بیانیه‌ای گفت: “حرکت ستارگان به شما می‌گوید که چقدر ماده وجود دارد.” “آنها اهمیتی نمی‌دهند که موضوع به چه شکل است، آنها فقط به شما می‌گویند که این موضوع وجود دارد.”

 

اخترشناسانی که در دهه 1970 کهکشان‌های مارپیچی را بررسی می‌کردند انتظار داشتند که مواد موجود در مرکز را سریعتر از لبه‌های بیرونی ببینند. در عوض، آن‌ها دریافتند که ستارگان در هر دو مکان با سرعت یکسانی حرکت می‌کنند که نشان می‌دهد کهکشان‌ها دارای جرم بیشتری از آن چیزی هستند که قابل مشاهده است.

 

مطالعات گاز در کهکشان‌های بیضوی نیز نیاز به جرم بیشتری نسبت به اجرام مرئی را نشان می‌دهد. خوشه‌های کهکشانی از هم دور می‌شوند اگر تنها جرمی که در آنها وجود دارد، جرم قابل مشاهده با اندازه‌گیری‌های نجومی معمولی باشد.

 

به نظر می‌رسد کهکشان‌های مختلف حاوی مقادیر متفاوتی از ماده تاریک هستند. در سال 2016، تیمی به رهبری ون داکوم کهکشانی به نام Dragonfly 44 پیدا کردند که به نظر می‌رسد تقریباً تماماً از ماده تاریک تشکیل شده است. از سوی دیگر، از سال 2018 ستاره‌شناسان چندین کهکشان را پیدا کرده‌اند که به نظر می‌رسد به طور کلی فاقد ماده تاریک هستند.

 

نیروی گرانش نه تنها بر مدار ستارگان در کهکشان‌ها بلکه بر مسیر نور نیز تأثیر می‌گذارد. فیزیکدان معروف آلبرت اینشتین در اوایل قرن بیستم نشان داد که اجرام پرجرم در جهان به دلیل نیروی گرانش خود نور را خم می‌کنند و منحرف می‌کنند. این پدیده عدسی گرانشی نام دارد. ستاره‌شناسان با مطالعه چگونگی تحریف نور توسط خوشه‌های کهکشانی، توانسته‌اند نقشه‌ای از ماده تاریک در کیهان ایجاد کنند.

 

اکثریت قریب به اتفاق جامعه نجومی امروزه وجود ماده تاریک را می‌پذیرند.

 

گران ساسو آزمایشگاه ملی ایتالیا (LNGS) در بیانیه‌ای اعلام کرد: “چندین اندازه‌گیری نجومی وجود ماده تاریک را تایید کرده‌اند که منجر به تلاش جهانی برای مشاهده مستقیم برهمکنش‌های ذرات ماده تاریک با ماده معمولی در آشکارسازهای بسیار حساس شده است که وجود آن را تایید کرده و ویژگی‌های آن را روشن می‌کند.”. با این حال، این فعل و انفعالات آنقدر ضعیف هستند که تا این لحظه از تشخیص مستقیم فرار کرده‌اند و دانشمندان را مجبور به ساخت آشکارسازهایی می کند که هر چه بیشتر حساس هستند.

 

علیرغم تمام شواهدی که به وجود ماده تاریک اشاره می‌کند، این احتمال نیز وجود دارد که در نهایت چنین چیزی وجود نداشته باشد و قوانین گرانش نیاز به تجدید نظر دارند که حرکت اجسام در منظومه شمسی را توصیف می‌کنند.

 

به نظر می‌رسد که ماده تاریک در سراسر کیهان در یک الگوی شبکه‌مانند پخش شده است و خوشه‌های کهکشانی در گره‌هایی تشکیل می‌شوند که فیبرها متقاطع می‌شوند. با تأیید اینکه گرانش هم در داخل و هم در خارج از منظومه شمسی ما یکسان عمل می‌کند، محققان شواهد بیشتری برای وجود ماده تاریک و انرژی تاریک ارائه می‌دهند.

به نظر می‌رسد که ماده تاریک در سراسر کیهان در یک الگوی شبکه‌مانند پخش شده است و خوشه‌های کهکشانی در گره‌هایی تشکیل می‌شوند که فیبرها متقاطع می‌شوند. با تأیید اینکه گرانش هم در داخل و هم در خارج از منظومه شمسی ما یکسان عمل می‌کند، محققان شواهد بیشتری برای وجود ماده تاریک و انرژی تاریک ارائه می‌دهند. (اعتبار تصویر: WGBH)

 

ماده تاریک از کجا می‌آید؟

به نظر می‌رسد ماده تاریک در سراسر کیهان به صورت شبکه‌ای پراکنده شده است، با تشکیل خوشه‌های کهکشانی در گره‌هایی که الیاف در آن متقاطع می‌شوند. با تأیید اینکه گرانش هم در داخل و هم در خارج از منظومه شمسی ما یکسان عمل می‌کند، محققان شواهد بیشتری برای وجود ماده تاریک ارائه می‌دهند. (چرا که علاوه بر ماده تاریک، به نظر می‌رسد که انرژی تاریک نیز وجود دارد، یک نیروی نامرئی مسئول انبساط کیهان که برخلاف گرانش عمل می‌کند، همه چیز پیچیده‌تر است.)

 

اما ماده تاریک از کجا می‌آید؟ پاسخ واضح این است که ما نمی‌دانیم. اما چند نظریه وجود دارد. مطالعه‌ای که در دسامبر 2021 در مجله Astrophysical منتشر شد، استدلال می‌کند که ماده تاریک ممکن است در سیاه‌چاله‌ها متمرکز شده باشد، دروازه‌های قدرتمندی که به دلیل نیروی شدید گرانش آنها همه چیز را در مجاورت خود می‌بلعد. به این ترتیب، ماده تاریک در بیگ‌بنگ همراه با سایر عناصر تشکیل دهنده جهان به صورتی ایجاد می‌شد که امروز می‌بینیم.

 

گمان می‌رود که بقایای ستاره‌ای مانند کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی حاوی مقادیر زیادی ماده تاریک باشند و همینطور کوتوله‌های قهوه‌ای، ستارگان شکست خورده‌ای که مواد کافی برای شروع همجوشی هسته‌ای را در هسته‌های خود جمع نکرده‌اند.

 

ماده تاریک در مرکز یک کهکشان (اعتبار تصویر: ماتیا دی مائورو (ESO/Fermi-Lat))

 

دانشمندان چگونه ماده تاریک را مطالعه می‌کنند؟

از آنجایی که ما نمی‌توانیم ماده تاریک را ببینیم، آیا واقعا می‌توانیم آن را مطالعه کنیم؟ دو رویکرد برای یادگیری بیشتر در مورد این چیزهای مرموز وجود دارد. ستاره‌شناسان با مشاهده خوشه‌بندی مواد و حرکت اجرام در جهان، توزیع ماده تاریک در جهان را مطالعه می‌کنند. از سوی دیگر، فیزیکدانان ذرات در تلاش برای شناسایی ذرات بنیادی سازنده ماده تاریک هستند.

 

آزمایشی که در ایستگاه فضایی بین‌المللی به نام طیف‌سنج مغناطیسی آلفا (AMS) نصب شده است، پادماده را در پرتوهای کیهانی تشخیص می‌دهد. از سال 2011، بیش از 100 بیلیون پرتوهای کیهانی به آن اصابت کرده است و حقایق شگفت‌انگیزی را در مورد ترکیب ذرات در حال عبور از جهان ارائه می‌دهد.

 

ساموئل تینگ، دانشمند ارشد AMS و برنده جایزه نوبل از موسسه فناوری ماساچوست، به Space.com گفت: «ما مقدار اضافی پوزیترون [همتای پادماده الکترون] را اندازه‌گیری کرده‌ایم و این مازاد می‌تواند از ماده تاریک باشد. “اما در حال حاضر، ما هنوز به داده‌های بیشتری نیاز داریم تا مطمئن شویم که این مقدار از ماده تاریک و نه از برخی منابع عجیب اخترفیزیک می‌باشد. برای فهمیدن این امر نیاز داریم که چند سال دیگر کار کنیم.”

 

بر روی زمین، در زیر کوهی در ایتالیا، XENON1Tis LNGS در جستجوی نشانه‌هایی از فعل و انفعالات پس از برخورد WIMP با اتم‌های زنون هستیم.

 

النا آپریل، سخنگوی این پروژه، استاد دانشگاه کلمبیا، در بیانیه‌ای گفت: «مرحله جدیدی در رقابت برای تشخیص ماده تاریک با آشکارسازهای عظیم پس‌زمینه فوق‌العاده کم روی زمین با XENON1T آغاز شده است». ما مفتخریم که با این آشکارساز شگفت‌انگیز (اولین در نوع خود)، در خط مقدم مسابقه تشخیص ماده تاریک  قرار داریم.»

 

آزمایش ماده تاریک زنون زیرزمینی بزرگ (LUX)، که در معدن طلا در داکوتای جنوبی قرار دارد، همچنین به دنبال نشانه‌هایی از برهمکنش‌های WIMP و زنون بوده است.

 

رصدخانه نوترینوی IceCube، آزمایشی که در زیر سطح یخ زده قطب جنوب مدفون شده است، در حال شکار نوترینوهای عقیم فرضی است. نوترینوهای عقیم فقط از طریق گرانش با ماده معمولی برهم‌کنش می‌کنند و آن را به یک کاندیدای قوی برای ماده تاریک تبدیل می‌کند.

 

آزمایش‌هایی با هدف شناسایی ذرات ماده تاریک گریزان نیز در برخورددهنده‌های ذرات قدرتمند در سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای (CERN) در سوئیس انجام می‌شود.

 

چندین تلسکوپ که به دور زمین می‌چرخند در حال جستجوی اثرات ماده تاریک هستند. فضاپیمای پلانک آژانس فضایی اروپا که در سال 2013 بازنشسته شد، چهار سال را در نقطه لاگرانژی 2 (نقطه‌ای در مدار به دور خورشید، جایی که یک فضاپیما موقعیت ثابتی را نسبت به زمین حفظ می‌کند) گذراند و توزیع پس زمینه مایکروویو کیهانی (یادگاری از بیگ‌بنگ، در کیهان) را ترسیم کرد. بی‌نظمی در توزیع این پس‌زمینه مایکروویو سرنخ‌هایی را در مورد توزیع ماده تاریک نشان داد.

 

در سال 2014، تلسکوپ فضایی پرتو گامای فرمی ناسا نقشه‌هایی از قلب کهکشان ما، کهکشان راه شیری، در نور پرتو گاما تهیه کرد که نشان می‌دهد بیش از حد تشعشعات پرتو گاما از هسته آن گسترش یافته است.

 

دان هوپر، نویسنده اصلی، اخترفیزیکدان در فرمی‌لب در ایلینوی گفت: سیگنالی که ما پیدا کردیم را نمی‌توان با جایگزین‌های پیشنهادی فعلی توضیح داد و با پیش‌بینی‌های مدل‌های ماده تاریک بسیار ساده مطابقت دارد.

 

به گفته محققان، این مازاد را می‌توان با نابودی ذرات ماده تاریک با جرم بین 31 تا 40 بیلیون الکترون ولت توضیح داد. نتیجه به خودی خود کافی نیست تا بتوان آن را تفنگی برای ماده تاریک در نظر گرفت. داده‌های اضافی از سایر پروژه‌های مشاهده یا آزمایش‌های تشخیص مستقیم برای تأیید اعتبار تفسیر مورد نیاز است.

 

همچنین انتظار می‌رود تلسکوپ فضایی جیمز وب که پس از 30 سال توسعه در 25 دسامبر 2021 به فضا پرتاب شد، در شکار این ماده گریزان نقش داشته باشد. تلسکوپ قرن با چشمان فروسرخ خود قادر به دیدن تا آغاز زمان نخواهد بود، اما انتظار می رود که از طریق مشاهده تکامل کهکشانها از ابتدایی‌ترین مراحل جهان، بینش‌هایی را ارائه دهد که قبلا امکان‌پذیر نبوده است.

 

ترجمه: سارا سیدحاتمی

 

منبع:

What Is Dark Matter?

By Nola Taylor Tillman

https://www.space.com/20930-dark-matter.html