بررسی 11 سوال بی‌پاسخ درباره ماده تاریک ؛ حقیقت اسرارآمیزترین ماده کائنات چیست؟

MacTavish · 24/8/19

ماده تاریک ، اسرارآمیزترین ماده در سرتاسر کائنات محسوب شده و گفته می‌شود کنترل همه کهکشان‌ها، ستاره‌‌ها و سیاره‌ها، در دستان آن قرار دارد. در این مطلب 11 پرسش بی‌جوابی که درباره ماده تاریک وجود دارند را بررسی خواهیم کرد.

در سال 1930، یک ستاره‌شناس سوئیسی با نام فریتس تسوئیکی (Fritz Zwicky) دریافت کهکشان‌های واقع در یک ابر خوشه بسیار دور، مشغول گردش به دور یکدیگر با سرعتی بیشتر از حد مورد انتظار هستند. در واقع سرعت گردش این کهکشان‌ها به دور یکدیگر، با در نظر گرفتن توده و جرم قابل مشاهده آن‌ها، بیشتر تلقی می‌شد. این موضوع سبب شد فریتس تسوئیکی فرضیه وجود یک ماده غیر قابل مشاهده را مطرح کند. ماده تاریک (Dark Matter) نامی است که در نهایت برای آن برگزیده شد. به عقیده وی، ماده‌ای ناشناس به وسیله اعمال گرانش روی کهکشان‌ها، سبب افزایش سرعت گردش آن‌ها می‌شود.

ماده تاریک و اسرار آن

از آن زمان به بعد، مطالعات بیشتری صورت گرفت و مشخص شد این ماده اسرارآمیز در سرتاسر کیهان وجود دارد. طبق تحقیقات، فروانی ماده تاریک در مقایسه با ماده‌ای که اشیای عادی همچون ستاره‌ها، سیارات و حتی انسان‌ها را ساخته، شش برابر بیشتر است! اگرچه دانشمندان به وجود ماده‌ای اسرارآمیز و بسیار پرحجم در سرتاسر کائنات پی برده و در موجودیت آن شکی ندارند، اما همچنان سوالات زیادی درباره آن در سرشان می‌چرخد، سوالاتی که متاسفانه هیچ پاسخی برای آن‌ها وجود ندارد! ماده سیاه با وجود در بر گرفتن کل کیهان و داشتن حجمی بیشتر از تمام مواد موجود در سرتاسر کائنات، هنوز اسرارآمیز و ناشناخته باقی مانده است!

ماده تاریک چیست؟

نکته بسیار عجیب درباره ماده تاریک این است که دانشمندان به وجود چنین ماده‌ای اعتراف کرده و در موجودیت آن شکی ندارند، اما نمی‌توانند چیستی و حقیقت آن را تشریح کنند! برخی دانشمندان حدس می‌زنند جرم گمشده در جهان، از ستاره‌های کم نور و سیاه چاله‌ها ایجاد شده است. البته بر اساس گفته‌های دان لینکن (Don Lincoln)، فیزیک‌دان آزمایشگاه Fermilab، طبق مشاهده‌های دقیق، ارتباط چندانی بین چنین اشیایی و ماده سیاه یافت نشده است.

در حال حاضر، تنها فرضیه پذیرفته شده درباره حقیقت ماده تاریک، تشکیل شدن آن از یک ذره فرضی با نام Weakly Interacting Massive Particle (ذره عظیم تعاملی ضعیف) است که به طور خلاصه، WIMP نامیده می‌شود. بر اساس توضیحات دان لینکن، این ذره شبیه به نوترون عمل می‌کند، با این تفاوت که در مقایسه با یک پروتون، بین ده تا صد برابر سنگین‌تر است. هر فرضیه‌ جدید مطرح شده درباره ماده تاریک، سوالات بی‌پاسخ جدیدتری درباره آن ایجاد می‌کند!

آیا قادر به آشکار ساختن ماده سیاه هستیم؟

اگر ماده تاریک از ذرات WIMP ایجاد شده است، آن‌ها می‌بایست همه جا در اطراف ما، به صورت نامرئی و به سختی قابل تشخیص، وجود داشته باشند. پس چرا با وجود احاطه شدن توسط این ذرات، قادر به یافتنشان نیستیم؟ اگرچه WIMP با دیگر مواد متداول تعامل زیادی ندارد، اما همیشه می‌توان شانسی برای برخورد یک ذره انرژی تاریک با یک ذره عادی همچون پروتون یا الکترون حین سفر آن در طول فضای بی‌انتها، قائل شد.

دانشمندان به منظور مطالعه روی تعداد زیادی از ذرات عادی، در عمق زمین، آزمایش‌های بسیار زیادی انجام داده‌اند. در این آزمایش‌ها تلاش می‌شود به وسیله محافظت ذرات، از تداخل تابش جلوگیری شده و شرایط برخورد یک ذره ماده تاریک با یک ذره ماده عادی هچون پروتون یا الکترون شبیه‌سازی شود. مشکل اینجاست که بعد از چندین دهه تحقیق، هیچ کدام یک از ردیاب‌های طراحی شده دستاوردی نداشته‌‌اند. آخرین آزمایش درباره ماده تاریک به پروژه کشور چین با نام PandaX مربوط می‌شود که نتیجه آن نیز عدم کشف ماده WIMP بوده است.

بر اساس گفته‌های های-بو یو (Hai-Bo Yu)، فیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا، به نظر می‌رسد ذرات تشکیل‌دهنده ماده سیاه، از ابعادی که دانشمندان برای یک WIMP قائل شده‌اند بسیار کوچک‌تر بوده یا ساختارشان به حدی پیچیده است که مطالعه روی آن‌ها را دشوار می‌کند.

آیا ماده تاریک از ذرات جزئی‌تر بیشتری ساخته شده است؟

هر سوال بی‌پاسخ مربوط به ماده تاریک، چندین سوال بی‌جواب دیگر را در دل دارد. به عنوان نمونه، آیا اصلا بررسی WIMP به تنهایی کار درستی است؟ شاید ماده سیاه همانند دیگر ماده‌های موجود در طبیعت، از چندین ذره کوچکتر ایجاد شده است و در واقع بیشتر از یک قسمت دارد. ماده‌های متداول از ذرات متفاوتی همچون پروتون و الکترون ایجاد شده‌اند. دانشمندان طی سال‌های اخیر، به وجود ذرات زیر اتمی دیگری در ماده همچون نوترون و پیون نیز پی برده‌اند.

اما دانشمندان درباره ساختار ماده تاریک، که 85 درصد کل ماده‌های موجود در کائنات را تشکیل می‌دهد، تردید داشته و تصور می‌کنند ممکن است این ماده نیز دارای چندین ذره باشد. بر اساس گفته‌های آندری کتز (Andrey Katz)، فیزیک‌دان دانشگاه هاروارد، هیچ دلیل قانع‌کننده‌ای برای مطرح کردن فرضیه‌ ایجاد شدن ماده تاریک تنها از یک ذره، وجود ندارد.

به عقیده آندری کتز، ممکن است پروتون‌های ماده سیاه با الکترون‌های آن، در ساختاری کنار هم قرار داشته و اتم‌های منحصربه‌فرد این ماده را تشکیل بدهند. با توجه به متفاوت بودن ماده تاریک نسبت به ماده‌ای که همه می‌شناسیم، بدون شک ذرات زیر اتمی آن (در صورت وجود) خواصی منحصربه‌فرد دارند، اما در صورت حقیقی بودن این فرضیه، روی هم رفته، ساختار یکسانی در سرتاسر کیهان برقرار است، چرا که ماده تاریک نیز از ذرات کوچکی (اتم) تشکیل شده که خود آن‌ها، در بر دارنده ذرات کوچکتری (زیر اتمی) هستند. متاسفانه دانشمندان طی چند سال اخیر، موفق به تایید یا رد این فرضیه نشده‌اند.

آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

در کنار چندین ذره (احتمالی) تشکیل‌دهنده ماده تاریک، نظریه‌ای درباره وجود نیروهایی شبیه به نیروهای درونی موجود در ماده عادی داخل ماده سیاه، مطرح شده است. برخی دانشمندان در جستجوی فوتون‌های تاریک هستند که احتمالا حقیقتی شبیه به فوتون‌های رد و بدل شده بین ذرات عادی دارند. این جابه‌جایی فوتون‌ها، نیروی الکترومغناطیسی را به وجود می‌آورد. تفاوت این فرآیند داخل ماده تاریک این است که نیروی حاصل از آن، فقط توسط ذره‌های تشکیل‌دهنده همین ماده احساس می‌شود.

دانشمندان ایتالیایی به منظور یافتن پاسخ این سوال، آزمایشی برای تاباندن پرتویی از الکترون‌ و پاد ذره‌ آن با نام پوزیترون داخل یک الماس را شروع کردند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت حاصل از الکترون و پوزیترون می‌تواند یکی از عجیب‌ترین ذره‌های منتقل‌کننده نیرو را از بین برده یا به وجود بیاورد! به این ترتیب، پنجره‌ای جدید به روی دانشمندان باز شده و از اسرار تازه‌ای پرده‌برداری خواهد شد.

آیا ماده تاریک از اکسیون ایجاد شده است؟

همراه با کاهش علاقه فیزیک‌دان‌ها به ذرات WIMP، ذرات فرضی جدید متعلق به ماده تاریک محبوبیت پیدا می‌کنند. یکی از ذرات فرضی که توجه فیزیک‌دان‌های زیادی را به خود جلب کرده است، اکسیون (Axion) محسوب می‌شود. برخلاف WIMP، یک اکسیون فوق‌العاده سبک بوده و حجم بسیار بسیار کمتری نسبت به پروتون دارد. طی چند سال اخیر، آزمایش‌هایی برای کسب اطلاعات بیشتر درباره اکسیون انجام شده است.

بر اساس شبیه‌سازی‌های کامپیوتری اخیر، احتمال شباهت اکسیون‌ها به اشیایی همانند ستاره‌ها افزایش پیدا کرده است. به همین دلیل آن‌ها قادر هستند تشعشعاتی قابل کشف از خود ساطع کنند. این تشعشعات تقریبا به پدیده مرموز Fast-Radio Burst شباهت دارند. ذره اکسیون فاقد بار الکتریکی بوده و چرخشی ندارد.

خواص ماده تاریک چیست؟

ستاره شناسان، ماده تاریک را از طریق تعامل‌های گرانشی آن با ماده عادی کشف کردند، به همین دلیل آن‌ها، این نوع تعامل را اصلی‌ترین روش انرژی تاریک به منظور نمایش حضور خود در سرتاسر کائنات می‌دانند. اما در زمان تلاش برای فهم حقیقت و طبیعت واقعی ماده تاریک، دانشمندان به در بسته می‌رسند. بر اساس برخی نظریه‌ها، ذره‌های تشکیل‌دهنده این ماده، پاد ذره‌های خود نیز محسوب می‌شوند! به همین دلیل دو ذره انرژی تاریک در صورت ملاقات، یکدیگر را از بین می‌برند!

از سال 2011، یک آزمایش در ایستگاه فضایی بین‌المللی با نام The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) آغاز شده تا بلکه دانشمندان به نشانه‌هایی درباره این فرضیه نابودی در اثر برخورد ذره‌های یکسان با یکدیگر برسند. از زمان آغاز تحقیق، تا امروز صدها هزار رویداد مشاهده شده است. ستاره شناسان هنوز درباره ارتباط این اتفاق با ماده تاریک مطمئن نیستند، اما برای پی بردن به حقیقت ماده تاریک، آزمایش AMS را ادامه می‌دهند.

آیا ماده تاریک در همه کهکشان‌ها وجود دارد؟

با توجه به وزن بسیار بیشتر ماده تاریک در مقایسه با ماده عادی، گفته می‌شود این ماده، نیروی کنترل‌کننده کائنات بوده و مدیریت ساختارهای بسیار بزرگ همچون کهکشان‌ها و خوشه‌های کهشکانی را عهده‌دار است. با توجه به نحوه کشف ماده تاریک که در ابتدای مطلب به آن اشاره کردیم، این موضوع عجیب نیست، مگر این که بدانید دانشمندان در سال 2018، کهکشانی با نام NGC 1052-DF2 کشف کردند که به نظر می‌رسد تقریبا هیچ ماده تاریکی در آن وجود ندارد!

بر اساس گفته‌های پیتر وان داکم (Pieter van Dokkum) از دانشگاه ییل آمریکا، به نظر می‌رسد وجود ماده سیاه به منظور تشکیل شدن یک کهکشان ضروری نیست. در تابستان سال 2018، یک تیم تحقیقاتی بر اساس یک سری آنالیز نشان داد تیم پیتر وان داکم در اندازه‌گیری فاصله کهکشان NGC 1052-DF2 دچار خطا شده است، به همین دلیل ماده قابل رویت آن، به مراتب کم نورتر و سبک‌تر از آن چه دانشمندان برای نخستین مرتبه رویت کردند، بوده است. پس در واقعیت بخش عظیمی از حجم این کهکشان را نیز ماده تاریک تشکیل می‌دهد.

از نتایج DAMA/LIBRA چه خبر؟

یکی از رازهای حل نشده مربوط به ذرات فیزیکی، به نتایج معمایی و پیچیده آزمایش DAMA/LIBRA مربوط می‌شود. در این پروژه، یک ردیاب در اعماق یک معدن در کوه‌های گران ساسو ایتالیا واقع شده و با استفاده از آن درباره نوسانات دوره‌ای درون ذره‌های ماده تاریک مطالعاتی انجام می‌شود.

این نوسانات ممکن است با گردش زمین به دور خورشید و همزمان با پرواز ذرات از میان جریان کهکشانی ماده تاریک، که منظومه شمسی را احاطه کرده است، افزایش پیدا کند. این جربان، باد ماده تاریک نامیده می‌شود. از سال 1997، دانشمندان مدعی مشاهده سیگنال‌های مربوط به این باد از طریق ردیاب DAMA/LIBRA شده‌اند، هر چند هیچ آزمایش دیگری، چنین دستاوردی نداشته است.

آیا ماده تاریک دارای شارژ الکتریکی است؟

یک سیگنال از آغاز زمان، دانشمندان را به مطرح کردن فرضیه وجود یک شارژ الکتریکی در ماده تاریک وادار کرده است. تشعشعاتی با طول موج 21 سانتی‌متر، توسط یک سری ستاره در ابتدای خلقت کیهان ساطع شد. زمان این رویداد، 180 میلیون سال بعد از بیگ بنگ تخمین زده شده است. این تشعشعات در ادامه توسط هیدروژن سردی که در آن زمان در اطراف کیهان وجود داشت، جذب شدند.

وقتی وجود چنین تشعشعاتی در ابتدای سال میلادی گذشته توسط دانشمندان کشف شد، بر اساس نشانه‌های آن، مشخص شد هیدروژن جذب‌کننده آن در مقایسه با چیزی که دانشمندان تصور می‌کردند بسیار سردتر بوده است. بر اساس فرضیه‌ متخصص فیزیک نجومی دانشگاه هاروارد، جولین مینیوز (Julian Muñoz)، ماده تاریک به واسطه شارژ الکتریکی آن، گرمای تمام هیدروژن فراگیرنده کائنات را تخلیه کرد، درست شبیه به یخ‌هایی که درون لیموناد قرار دارند.

آیا ذرات عادی می‌توانند به ماده تاریک تنزل پیدا کنند؟

نوترون‌ها، یکی از ذرات ماده با عمر محدود هستند. بعد از حدود 14 دقیقه، یک نوترون، به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو واپاشیده می‌شود. اما بر اساس دو آزمایش متفاوت، طول عمرهای گوناگونی برای این فرآیند واپاشی به دست آمد، به طوری که اختلافی 9 ثانیه‌ای بین آ‌ن‌ها وجود داشت.

ابتدای سال 2018، فیریک‌دان‌ها پیشنهاد کردند اگر یک درصد از زمان، برخی نوترون‌ها به ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک واپاشیده شوند، یک نوع نابه‌سامانی پدید خواهد آمد. کریستوفر موریس (Christopher Morris) در آزمایشگاه Los Alamos National، به همراه تیم خود برای دریافت سیگنال‌هایی از ماده تاریک، نوترون‌ها را با دقت مورد تحقیق قرار داد، اما هیچ چیز خاصی رویت نشد. به عقیده آن‌ها، انواع دیگری از واپاشی ممکن است وجود داشته باشند که هنوز قادر به کشف آن‌ها نبوده‌ایم.

آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

ماده تاریک اسرارآمیزتر از چیزی است که تصور می‌کنید. گفته می‌شود این ماده، بیش از 85 درصد کل کائنات را تشکیل می‌دهد، اما قادر به رویت آن نبوده و حتی از ماهیت، حقیقت، طبیعت و ساختار آن بی‌اطلاع هستیم! با توجه به مشکلاتی که دانشمندان در مسیر اثبات فرضیه‌های درباره ماده سیاه به آن برخورد کرده‌اند، یک سوال اساسی پدید می‌آید؛ آیا این ماده واقعا وجود دارد؟

برای سال‌های متمادی، تعداد کمی از فیزیک‌دان‌ها پیشنهاد داده‌اند احتمالا نظریه‌های ما درباره گرانش اشتباه بوده‌اند، به همین دلیل نیروهای بنیادی در سطح وسیع، متفاوت‌تر از آن چه تا امروز تصور می‌شد رفتار می‌کنند. بر اساس این ادعا مدل MOND مطرح شده و وجود ماده تاریک رد می‌شود. طبق این دیدگاه، سرعت بسیار بالای ستاره‌ها و کهکشان‌ها که بیشتر از مقدار طبیعی و مورد انتظار است، از رفتار عجیب نیروی گرانش در ابعاد وسیع حاصل می‌شود.