ماده تاریک شاید فراتر از دانسته‌های ما باشد

ديجياتو

بروزرسانی 1400/03/26 - 22:50

ماده تاریک شاید فراتر از دانسته‌های ما باشد

ديجياتو/برچسب «ماده تاريک» ناشي از ناآگاهي ما از ماهيت اکثر مواد ناشناخته موجود در جهان است. اين ماده پنج برابر بيشتر از ماده معمولي در جرم کيهان سهم دارد. اما با اين‌حال نمي‌توانيم آن را ببينيم. تنها حضور اين ماده به صورت غيرمستقيم و از طريق اندرکنش‌هاي گرانشي آن با ماده مرئي را مي‌توانيم استنتاج کنيم.

مدل استاندارد کيهان‌شناسي مي‌تواند تشکيل ساختارهاي گرانشي، خوشه‌بندي شدن و رشد آن‌ها به مرور زمان را با استفاده از مفهوم نوسانات اوليه در اقيانوسي متشکل از ذرات نامرئي با حرکت‌هاي تصادفي اوليه بسيار کوچک، با موفقيت توضيح دهد. اما اين ماده تاريک سرد مي‌تواند ترکيبي از ذرات مختلف باشد.

اين ماده مي‌تواند از ذرات پرجرمي که اندرکنش‌هاي ضعيف دارند (مثل ذرات فرضي با نام اکسيون) تشکيل شده باشد و يا حتي ممکن است اتم‌هاي تاريک که با ماده معمولي و يا نور برهمکنش نمي‌کنند، بنياد ماده تاريک را تشکيل دهند. ما هنوز هيچ يک از اين ذرات نامرئي را کشف نکرده‌ايم، اما اثر نوسانات اوليه آن‌ها را در تغييرات جزئي تابش زمينه کيهاني، تابش به جا مانده از انفجار بزرگ داغ در عالم اوليه، اندازه‌گيري کرده‌ايم.

بسياري از آزمايشات در جستجوي ردپايي از ماده تاريک هستند. دانشمندان چه در آسمان و چه آزمايشگاه‌هايي مثل برخورددهنده هادروني بزرگ در تلاش براي فهم ماده هستند. اين جستجو تاکنون ناموفق بوده است. فرض اينکه انواع خاص ذرات بنيادي نماينده‌هاي اصلي ماده تاريک هستند، به مرور زمان رد شد و نوبت به سياه‌چاله‌هاي ابتدايي رسيد. با انجام مطالعات مشخص شد که اين اجرام نيز گزينه‌هاي مناسبي نيستند و در نتيجه، معماي شناخت ماده تاريک مرموزتر از هميشه شد.

در مقاله‌اي که در سال ۲۰۰۵ با همکاري Matias Zaldarriaga منتشر شد، نشان داده شده که ذرات ماده تاريک سرد مي‌توانند تا از لحاظ گرانشي تا مقياس‌هايي در حدود مقياس جرمي زمين، به حالت خوشه‌اي درآيند. هنوز شواهدي براي اين توده‌هاي ريز ماده تاريک يافت نشده است. محققان در حال مطالعه روي ساختارهاي بزرگ مقياس کيهان هستند تا پرده از رموز ماده تاريک بردارند. کهکشان راه شيري که حاوي گاز و ستاره به عنوان هسته داخلي است و توسط هاله‌هاي ماده تاريک نيز احاطه شده، يکي از نمونه‌هاي اين ساختارهاست.

همانطور که در مطالعات Vera Rubin نشان داده شده، ديناميک گاز و ستاره در کهکشان‌ها، وجود جرمي نامرئي در هاله را نشان مي‌دهد که در خارج از منطقه داخلي، جايي که ماده معمولي متمرکز شده است، گسترش مي‌يابد. در عين ناباوري، نياز به حضور ماده تاريک در کهکشان‌هايي مانند کهکشان راه شيري تنها در منطقه بيروني کهکشان احساس مي‌شود که شتاب در اين نواحي به مقداري کمتر از حد مشخص براي عالم مي‌رسد.

اين حد مشخص براي شتاب تقريبا برابر است با سرعت نور تقسيم بر سن جهان. اين موضوع يک واقعيت غيرمنتظره در تفسير استاندارد ماده تاريک است. ويژگي‌هاي شتاب جهاني اين احتمال را در ذهن ايجاد مي‌کند که آنچه در عالم به دنبال آن هستيم، ماده نامرئي نيست. بلکه تغيير در اثرات گرانشي ديناميک ماده مرئي به علت قرار گرفتن در محيطي با شتاب اندک است.

اين ايده در سال ۱۹۸۳ توسط Moti Milgrom مطرح شد و نظريه ديناميک اصلاح شده نيوتني و يا به عبارت خلاصه MOND نام گرفت. در اين نظريه تلاش مي‌شود تا به مسئله ماهيت ماده تاريک پاسخ داده شود. به طور قابل توجهي، بيش از چهار دهه است که ديدگاه ساده و جالب اين دانشمند در زمينه ديناميک اصلاح شده در شتاب کم، در تفسير منحني‌هاي چرخش نسبتا تخت در بسياري از هاله‌هاي کهکشاني، مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

همانطور که در نظريه MOND پيش‌بيني مي‌شود، تمام داده‌هاي موجود در کهکشان راه شيري، ارتباط تنگاتنگي ميان سرعت دايره‌اي در حومه کهکشان و مقدار کل ماده معمولي (که آن را با عنوان ماده باريوني مي‌شناسيم)، وجود دارد. اين رابطه را به صورت اختصاصي رابطه ماده باريوني Tully-Fisher مي‌نامند.

در مقاله منتشر شده در سال ۱۹۹۵، يکي از دانشجويان سال اول دکترا به نام Daniel Eisenstein نشان داد که قيود اين رابطه در مفاهيم شرح داده شده از ماده تاريک، مطرح نشده است. با فرض وجود ماده تاريک در عالم، نظريه MOND اين سوال را مطرح مي‌کند که چرا ذرات ماده تاريک مي‌توانند تاثيري بر رفتار ديناميکي کهکشان‌ها از منظر شتاب داشته باشند؟ آيا اين مسئله نکته مهمي در مورد ماهيت آن‌ها را آشکار مي‌کند؟

اما MOND در مقياس‌هاي بزرگتر از کهکشان، با چالش‌هايي روبرو است. سيستم‌هاي عظيم‌تر مانند خوشه‌هاي کهشکاني – محلي که براي اولين بار Fritz Zwicky وجود ماده تاريک را مطرح کرد – شواهدي در مورد توده از دست رفته را نشان مي‌دهد.

اين شواهد حتي در مواردي که شتاب آن‌ها بيش از مقياس آستانه MOND است نيز، مشاهده مي‌شود. علاوه بر اين، نوسانات صوتي که با دقت بسيار بالايي در افت و خيزهاي روشن تابش زمينه ريزموج کيهاني کشف شده‌اند، حضور مولفه‌اي غالب بر ماده معمولي را تائيد مي‌کنند که مي‌تواند آزادانه جريان يابد. در حقيقت اين رفتار آزاد کاملا در تضاد با رفتاري است که ماده معمولي و شار تابشي مي‌تواند از خودش نشان دهد. ماده معمولي و شار تابشي به شدت با اندرکنش‌هاي الکترومغناطيسي جفت شده‌اند.

اما در مورد کوچکترين مقياس‌ها چطور؟ بررسي داد‌ه‌هاي ماهواره گايا که کهکشان‌هاي فوق کم‌نور را بررسي مي‌کند، راهنماي خوبيست. در اين مطالعات نشان داده شد که رفتار اين دسته از کهکشان‌ها از MOND منحرف است. درست همانند خوشه‌هاي کهکشاني، به نظر مي‌رسد که اين دسته از کهکشان‌ها نيز در مقياس خود بر عليه تئوري MOND ظاهر مي‌شوند.

احتمال ديگري که در مقاله‌اي در سال ۲۰۱۸ با Julian Munoz مطرح شد، نشات گرفته از نتايج آزمايش EDGES بود که خبر از افت بيش از حد دماي اتم هيدروژن در عالم اوليه را مي‌داد. به کمک اين آزمايش نشان داده شد که ذرات ماده تاريک بار الکتريکي اندکي دارند، مي‌توانند از ماده معمولي گسيل شوند و اتم‌هاي هيدروژن را بيشتر از مقدار انتظار، سرد کنند.

توضيح اينکه چرا و چگونه ذرات ماده تاريک داراي مقدار اندکي بار الکتريکي هستند، بسيار دشوارتر از توضيح فرضيه‌اي است که عقيده داشت ذرات ماده تاريک رشته‌هايي ميان اجرام آسماني هستند که تحت تاثير نور قرار دارند. با وجود تمام اين گمانه‌زني‌ها، ذات ماده تاريک نياز به مطالعات گسترده و تفکر و تعمق بسيار دارد.

براي پي بردن به ماهيت ماده تاريک نياز به سرنخ‌هاي بيشتر و دقيق‌تري داريم. اميدوارم در دهه‌هاي آينده، با کنار هم قرار دادن قطعات مختلف اين پازل، بتوانيم به پاسخ مناسبي براي سوال‌هاي خود برسيم و از اين راز کيهاني پرده برداريم. وضعيت کنوني ما بدين صورت که به دنبال نشانه‌اي در عالم مي‌گرديم تا ما را در فهم اين مسئله ياري کند.