ماده‌ی تاریک چیست

 

Dark-Matter

ماده‌ی تاریک حلقه‌ای در خوشه‌ی کهکشانی Cl 0024+17 – رنگ‌های آبی کاذب‌اند. امتیاز تصویر: ناسا

ماده‌ی تاریک٬ یکی از معماهای رازآلود کیهان است که دانشمندان همچنان در پی کشف هویت واقعی این ماده‌اند. اما معنی‌اش این نیست که اطلاعاتی از آن در دسترس نباشد.

نخستین شواهد از ماده‌ی تاریک به اوایل ۱۹۳۰ میلادی برمی‌گردد. در آن زمان٬ یان اورت٬ منجم هلندی تصمیم گرفت تا سرعت ستاره‌های راه‌شیری را به کمک اثر دوپلر اندازه‌گیری کند. اما نتایجی که به‌دست آورد با آن‌چه که متناسب با نیروی گرانشی جرم رویت‌پذیر بود٬ بسیار منافات داشت و سرعت ستاره‌ها بسیار بیشتر از حد انتظار برآورد شدند. این سرعت آن‌قدر زیاد بود که سبب می‌شد تا ستاره‌ها بتوانند به آسانی بر گرانش کهکشان غلبه کنند و از آن فرار کنند اما چنین اتفاقی نیفتاده بود و آنان همچنان در کهکشان راه‌شیری قرار داشتند. پس اشکال از کجاست؟ آیا محاسبات اشتباه بودند؟ یا این که شاید درک ما از گرانش اشتباه است؟ گرانشی که قرن‌هاست پاسخ اعتماد بشر را داده است. اما اشکال نه از محاسبات بود نه از فهم ما از گرانش. بلکه به نظر یک نیروی گرانشی نامرئی مانع از فرار ستاره‌ها می‌شد.

ماده‌ی ناپیدا

در آن زمان اورت٬ به حضور ماده‌ای نامرئی گمان برد. ماده‌ای که دیده نمی‌شد اما تأثیر گرانشی داشت. چندی پس از این، فریتس زویکی٬ منجم سوییسی در حال اندازه‌گیری سرعت کهکشان‌ها در یک مقیاس بزرگ‌تر٬ یعنی خوشه‌ی کهکشانی (خوشه‌ی گیسو) بود که به همان نتیجه‌ی مشابه اورت دست یافت. به این ترتیب وجود این ماده‌ی نامرئی بیش از پیش قوت گرفت. تا این که در دهه‌های ۵۰ و ۶۰ میلادی مطالعات فراوانی روی سرعت ستاره‌ها در مکان‌ها مختلف راه‌شیری صورت گرفت که همچنان اختلاف فاحشی با نظریات اثبات شده را آشکار می‌کرد. اما این اختلافات از کجا نشأت می‌گرفتند؟

Chart 1بر اساس قوانین نیوتن-کپلر٬ می‌توان نموداری را برای سرعت مداری ستاره‌ها نسبت به فاصله‌ی آن‌ها از مرکز کهکشان راه‌شیری رسم کرد که بسیار شبیه به چرخش یک فریزبی یا یک دیسک حول مرکزش است. به این نمودار «نمودار چرخشی کهکشان» می‌گویند. دانشمندان انتظار داشتند که هرچه ستار‌ه‌ها به مرکز کهکشان‌ نزدیک‌تر باشند٬ سرعت‌شان نیز کم‌تر باشد و با فاصله گرفتن از مرکز کهکشان سرعت ستاره‌ها افزایش می‌یابد تا جایی که دیگر جرم مرکزی کهکشان نتواند روی ستاره‌ها‌ی دورتر تأثیر بگذارد. از آن‌جا به بعد٬ سرعت ستاره‌ها دوباره باید کاهش می‌یافت. این نظریات همچنان پا برجا بود تا این‌که در اوایل سال ۱۹۷۰ ٬ ورا روبین٬ بانوی منجم آمریکایی نشان داد که سرعت ستاره‌ها از الگوی نیوتن-کپلری پیروی نمی‌کند و تقریباً ستاره‌ها٬ در نقاط مختلف کهکشان٬ سرعت ثابتی دارند. این تناقض نه تنها در کهکشان راه شیری بلکه در کهکشان‌های دیگری مانند آندرومدا نیز مشاهده شد. به این ترتیب بود که بار دیگر وجود ماده‌ای که این خلاء گرانشی را پر کند محبوبیت یافت.

از طرفی دیگر منجمان با کمک قانون سوم کپلر جرم کلی کهکشان‌ راه شیری را به‌دست آوردند که معادل یک تریلیون برابر جرم خورشید بود اما مجموعه‌ی جرمی که از رصد اجرام‌ رویت‌پذیر کهکشان (ستاره‌ها٬‌ گازها و غبارها) در همه‌ی طول‌موج‌های فروسرخ٬ مرئی٬ فرابنفش و رادیویی به‌دست آمد حدود ۲۰۰ – ۶۰۰ میلیارد برابر جرم خورشید بود. به این معنی که جرمی که از فرمول به‌دست آمده بود حدود ۶  بار بزرگ‌تر از مجموعه‌ی جرم رویت‌پذیر کهکشان‌ است. به‌ این ترتیب وجود ماده‌ی تاریک در میان دانشمندان بیش از پیش مقبولیت یافت.

اگر هست چرا نمی‌توان دید؟

jellybean-universeدر‌واقع این ماده٬ یک ماده‌ی غیرباریونی است. از آن‌جایی که واحد تشکیل‌دهنده‌ی مواد باریونی٬ اتم است که خود از پروتون٬ الکترون و نوترون تشکیل شده است٬ همگی در طو‌ل‌موج‌های الکترومغناطیسی آشکار می‌شوند و در طول موج‌های مختلفی٬ تابش می‌کنند. اما ماده‌ی تاریک رفتاری عجیب دارد و هیچ‌گونه برهم‌کنش الکترومغناطیسی ازخود نشان نمی‌دهد. نه نوری دریافت می‌کند و نه از خود نوری تابش می‌کند. تنها راه تشخیص آن نیروی گرانشی است که به سبب جرم خود روی اجرام دیگر وارد می‌کند. دانشمندان در تلاش‌اند تا بتوانند ذرات تشکیل‌دهنده‌ی این ماده‌ی مرموز را کشف کنند اما همچنان توفیقی به‌دست نیامده است. با کشف این ماده‌ی شگفت‌انگیز٬ نادانی انسان نیز وسعت یافته است. تا پیش از این تصور می‌شد که جهان را می‌توان در طول موج‌های گوناگون شکار کرد وهیچ چیز از چشم انسان غافل نخواهد ماند اما با کشف ماده‌ی تاریک و البته در پی آن انرژی تاریک٬ بشر به این نتیجه رسید که فقط ۴ درصد جهان را می‌بیند و تاکنون از باقی آن غافل مانده است!

آیا راست می‌گویند؟

Gravitational lensواضح است که ماده‌ی تاریک در مقیاس بزرگ‌تر نمود بیشتری پیدا می‌کند. بهترین نمونه‌ای که می‌توان به وضوح تأثیر ماده‌ی تاریک را مشاهده کرد٬ خوشه‌‌های کهکشانی‌اند. سال‌ها پیش از کشف ماده‌ی تاریک٬ اینشتین در نسبیت عام بیان کرد که نیروی گرانشی می‌تواند نور را خم کند. این نظریه در جریان خورشیدگرفتگی ۱۹۱۹ میلادی٬ به‌دست ادینگتون٬ منجم انگلیسی تایید شد. سال‌ها پس از آن٬ فریتس زویکی با وام گرفتن از نسبیت عام٬ مبحث عدسی‌های گرانشی را مطرح کرد. عدسی‌های گرانشی نور اجرامی که در پشت آن‌ها قرار دارند را خم می‌کنند و سبب می‌شوند تا بتوانیم آن‌ها را ببینیم. حتماً نباید جرم این عدسی مملو از ماده‌ی تاریک باشد تا بتوانند نور را خم کنند اما از طرف دیگر جرم رؤیت‌پذیر خوشه‌های کهکشانی آن‌قدر نیست که بتواند تأثیر گرانشی چشم‌گیری روی نور بگذارد. با رصدهایی که دانشمندان روی خوشه‌های کهکشانی گوناگون انجام دادند هیچ جای شکی مبنی بر حضور پررنگ ماده‌ی تاریک در این خوشه‌ها نمی‌گذارد. آن‌ها حتی می‌توانند به میزان خمیدگی نور در حین عبور از این خوشه‌ها جرم کلی خوشه و نهایتاً مقدار ماده‌ی تاریک پیرامون آن را تخمین بزنند.

برای مثال می‌توان به خوشه‌ی کهکشانی «گلوله» اشاره کرد که از برخورد دو خوشه با سرعت ۱۶ میلیون کیلومتر بر ساعت پدید آمده است و نامش را نیز از نوع شکلی ظاهری‌اش وام گرفته است. این خوشه به‌نوعی گواهی اثبات وجود ماده‌ی تاریک است.

bullet_cluster_c60w

خوشه‌ی کهکشان گلوله

منجمان با کمک روش «عدسی‌ گرانشی ضعیف» و با بهره‌گیری از تلسکوپ‌های زمینی ماژلان و VLT و تلسکوپ فضایی هابل موفق شده‌اند تا میزان خمیدگی نور و در نتیجه جرم کلی این خوشه‌ی عظیم را محاسبه کنند. سپس به کمک تلسکوپ فضایی چاندرا جرم مواد درخشان و رویت‌پذیر را نیز محاسبه کردند و آن‌ را با جرم کلی مقایسه کردند و به این‌ ترتیب نقشه‌ای از ماده‌ی تاریک حاضر در این خوشه به دست آمد. نتیجه بسیار شگفت‌انگیز بود.

هنگامی که این دو خوشه‌ با یکدیگر برخورد کردند مواد درخشان و رویت‌پذیر آن‌ها مانند گازهای داغ با یکدیگر برهم‌کنش داشتند و از سرعت‌شان کاسته شد اما ماده‌ی تاریک هر دو خوشه هیچ برهمکنشی با یکدیگر نداشتند و از درون یکدیگر عبور کردند. به نظر می‌آید که این مواد غیرقابل برخورد باشند. همین سبب می‌شود تا ماده‌ی تاریک هر خوشه از ماده‌ی درخشان‌اش جدا شود. آن‌چه که سال‌ها دانشمندان به ‌دنبال‌اش بودند اینک به وقوع پیوسته است. آن‌ هم بیش از ۳ میلیارد سال نوری دورتر از ما. برای درک بهتر این انیمیشن  را ببینید.

درادامه انیمیشن دیگری برای‌تان آورده‌ایم که در آن  تصاویر این خوشه به تفکیک به‌نمایش درمی آیند. با دقت در تصویر نخست می‌توانید دو خوشه‌ی برخوردکننده را پیدا کنید که یکی بزرگ‌تر از دیگری است. تصویر دوم در طول موج پرتو ایکس گرفته شده است که نشان‌دهنده‌⁠ی مواد درخشان وگازهای داغ دو خوشه‌ است. تصویر سوم٬‌ نشان‌دهنده‌ی ماده‌‌ی برهم‌کنش‌ناپذیر «تاریک» است که با رنگ کاذب آبی نشان داده شده است. در تصویر پایانی نیز برای مقایسه‌ی بهتر٬‌ ترکیبی از هر ۳ تصویر به‌نمایش در آمده است.

Picture Sequence

تحقیقات روی رفتار ماده‌ی تاریک و هویت واقعی آن هم‌چنان ادامه دارد. گروهی از دانشمندان ذراتی به نام WIMP را به عنوان ذره‌ی اصلی ماده‌ی تاریک پیشنهاد داده‌اند که مانند این ماده با انرژی الکترومغناطیسی واکنش نشان نمی‌دهد و نمی‌توان آن را دید. از طرفی هم با نیروهای هسته‌ای قوی هیچ برهمکنشی ندارند به این معنی که هیچ نوع برهم‌کنشی را با هسته‌ی اتم‌ها نشان نخواهند داد. این بسیار شبیه به رفتار و نشانه‌هایی است که ما از ماده‌ی تاریک دریافت کرده‌ایم. اما این ذره‌ی پیشنهادی٬ هنوز اثبات نشده است.  به‌تازگی طیف‌نگار مغناطیسی آلفا  AMS که در جست‌وجوی این ماده‌  بر ایستگاه فضایی نصب شده٬ داده‌هایی را به زمین مخابره کرده است که دانشمندان از آن به عنوان خبری بزرگ نام برده‌اند. نتیجه‌ی این داده‌ها تا دو هفته‌ی دیگر اعلام می‌شود و باید تا آن زمان منتظر بمانیم تا شاید یکی از گره‌های بزرگ کیهان‌شناسی پس از سال‌ها تحقیق و جست‌وجو باز شود!

منبع :  http://goo.gl/LUNQx

Advertisements

پاسخی بگذارید

در پایین مشخصات خود را پر کنید یا برای ورود روی شمایل‌ها کلیک نمایید:

نشان‌وارهٔ وردپرس.کام

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری WordPress.com خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

تصویر توییتر

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری Twitter خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

عکس فیسبوک

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری Facebook خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

عکس گوگل+

شما در حال بیان دیدگاه با حساب کاربری Google+ خود هستید. بیرون رفتن / تغییر دادن )

درحال اتصال به %s