یازده پرسش بی‌پاسخ دربارۀ “ماده تاریک”

MacTavish · 9/1/20

بیگ بنگ: یک اخترشناس سوئیسی به نام «فریتز زوییکی» در دهه ۱۹۳۰ میلادی متوجه شد که کهکشان‌های موجود در یک خوشۀ دور با توجه به میزان جرم قابل مشاهده‌شان، سریعتر از حد انتظار به دور یکدیگر میچرخند. او «ماده تاریک» را پیشنهاد داد و مدعی شد که شاید این ماده روی این کهکشان‌ها تاثیر گرانشی بگذارد.

به گزارش بیگ بنگ، از آن زمان به بعد، محققان تایید کردند که این ماده رازآلود در سرتاسر کیهان یافت وجود دارد و فراوانی آن شش برابر بیشتر از ماده معمولی است که چیزهای مثل سیاره‌ها، ستاره‌ها، ما انسان‌ها و … از آن تشکیل شده‌اند. دانشمندان علی‌رغم مشاهده رفتار ماده تاریک در سرتاسر کیهان، هنوز اطلاعات چندان دقیقی دربارۀ آن ندارند. در این مقاله قصد داریم به یازده پرسش بی‌پاسخ دربارۀ “ماده تاریک” بپردازیم.

۱-ماده تاریک چیست؟

محققان ماهیت واقعی ماده تاریک را نمی‌شناسند. برخی دانشمندان این گمانه‌زنی را مطرح می‌سازند که جرم مفقود در جهان از سیاهچاله‌ها و ستاره‌های کوچک ِ کم نور ساخته شده است، اما مشاهدات جامع حکایت از چیز دیگری دارد. یکی از حامیان اصلی برای اجزای ماده تاریک، ذره‌ای فرضی بنام «ذره سنگین با برهمکنش ضعیف یا WIMP» نام دارد که تا حدودی شبیه نوترون رفتار می‌کند؛ با این تفاوت که میتواند ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از پروتون باشد. این گمانه‌زنی زمینه‌سازِ سوالات دیگری شده است.

۲-آیا میتوانیم ماده تاریک را شناسایی کنیم؟

اگر ماده تاریک از «ویمپ» ساخته شده باشد، باید این ذرات به وفور در کنار ما وجود داشته باشند؛ طوری که نامرئی بوده و شناسایی آنها به سختی انجام می‌شود. پس چرا هیچ نشانه‌ای از “ماده تاریک” بدست نیاورده‌ایم؟ اگرچه ماده تاریک برهمکنش چندان زیادی با ماده معمولی ندارد، اما هنوز این احتمال وجود دارد که ذرۀ ماده تاریک بتواند به هنگام سفر در فضا به ذره‌ای عادی مثل پروتون یا الکترون برخورد کند.

بنابراین، محققان آزمایش‌های متعددی را ترتیب داده‌اند تا تعداد عظیمی از ذرات معمولی را در اعماق ژرف مورد مطالعه قرار بدهند؛ جایی که آنها از تابش مزاحم در امان هستند. خب مشکل کجاست؟ پس از دهه‌ها جستجو، هیچکدام از آشکارسازها موفق به انجام یک اکتشاف معتبر و قابل اتکا نشده است. در ابتدای سال جاری، آزمایش «PandaX» چین در تازه‌ترین گزارش نشان داد که اثری از ذره ویمپ کشف نشده است. شاید ذرات ماده تاریک خیلی کوچکتر از ویمپ‌ها باشند؛ یا دستکم از ویژگی‌هایی برخوردار باشند که مطالعه آنها را با دشواری همراه سازد.

۳-آیا ماده تاریک از بیش از یک ذره تشکیل شده است؟

ماده معمولی از ذراتی نظیر پروتون و الکترون و همچنین باغ‌وحشی از ذرات عجیب مثل نوترینو، موآن و پیون تشکیل یافته است. بنابراین، برخی از محققان احتمال میدهند که شاید ماده تاریک هم به همین میزان پیچیده باشد. لازم به ذکر است که ماده تاریک ۸۵% از جرم کیهان را تشکیل میدهد.

فیزیکدان «آندری کاتز» از دانشگاه هاروارد می‌گوید: «دلیلی وجود ندارد که تمامی “ماده تاریک” از یک نوع ذره ساخته شده باشد. پروتون‌های تاریک میتوانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند تا اتم‌های تاریک را به وجود بیاورند؛ بدین ترتیب، دسته‌بندی از این نوع ذرات شکل می‌گیرد که همانند ذرات مرئی، جالب و متنوع هستند.» اگرچه چنین پیشنهاداتی بطور فزاینده در آزمایشگاه‌های فیزیک به بررسی نشده، اما پیدا کردن راهی برای تایید یا رد آنها مسئله‌ای است که دانشمندان را به فکر فرو برده است.

۴-آیا نیروی تاریک وجود دارد؟

علاوه بر ذرات ماده تاریک، این احتمال وجود دارد که ماده تاریک هم با نیروهایی مشابه ِ آنچه ماده معمولی تجربه می‌کند، دست و پنجه نرم کند. برخی محققان از جستجو برای فوتون‌های تاریک سخن گفته‌اند. وجود این فوتون‌ها تنها به واسطۀ ذرات ماده تاریک احساس می‌شود. فیزیکدانان ایتالیایی در تلاش‌اند تا پرتوهای الکترون و پادذرات آنها (پوزیترون‌ها) را به الماس برخورد دهند. اگر واقعا فوتون‌های تاریک وجود داشته باشد، جفت الکترون-پوزیترون میتواند همدیگر را نابود کرده و یکی از ذرات عجیبی را پدید آورد که از نیرویی بهره می‌برد. چه بسا بخش تازه‌ای از جهان را به رویمان بگشاید.

۵-آیا ماده تاریک میتواند از اکسیون‌ها تشکیل شده باشد؟

سایر ذرات ماده تاریک مورد توجه عده کثیری از محققان قرار گرفته است. یکی از این ذرات فرضی اکسیون(axion) نام دارد که میتواند فوق‌العاده سبک باشد. اکسیون‌ها در آزمایشات مختلف بررسی شده و جستجو برای یافتن آنها ادامه دارد. بتازگی شبیه‌سازی‌های کامپیوتری احتمال می‌دهند که این اکسیون‌ها میتوانند اجرام ستاره مانندی را به وجود بیاورند؛ انتظار می‌رود در طول این فرایند، تابش ِ قابل تشخیصی تولید شود که مشابه پدیده‌های رازآلودی بنام “فوران رادیویی سریع” باشد.

۶-ویژگی‌های ماده تاریک کدام‌اند؟

اخترشناسان به واسطه برهم‌کنش‌های گرانشی ِ “ماده تاریک” با ماده به وجودش پی‌بردند؛ این تنها راهی است که ماده تاریک نشانه‌هایی از وجودش را آشکار می کند. اما محققان در تلاش برای درک ماهیت واقعی ماده تاریک، اطلاعات ناچیزی در اختیار دارند. بنا به برخی از نظریات، ذرات ماده تاریک باید پادذرات خودشان باشند؛ یعنی دو ذره ماده تاریک در زمان برخورد با هم، موجب نابودی همدیگر می‌شوند. آزمایش طیف‌سنج مغناطیسی آلفا(AMS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی از سال ۲۰۱۱ مشغول جستجوی نشانه‌های این نابودی است و صدها هزار رویداد را نیز شناسایی کرده است. دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که آیا این رخدادها ناشی از ماده تاریک هستند یا خیر.

۷-آیا ماده تاریک در همه کهکشان‌ها وجود دارد؟

چون ماده تاریک جرم خیلی زیادی در مقایسه با ماده عادی دارد، غالبا از آن بعنوان نیروی سازمان دهنده‌ای یاد می‌شود که ساختارهای بزرگی مثل کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را ساماندهی می‌کند. از این رو، کمی عجیب بود که اخترشناسان اوایل سال جاری اعلام کردند کهکشانی بنام NGC 1052-DF2 تقریبا هیچ ماده تاریکی ندارد.

در همین راستا یکی از محققان دانشگاه ییل آمریکا به نام «پیتر داکوم» اظهار داشت: «گویا ماده تاریک از عوامل مورد نیاز برای تشکیل یک کهکشان نیست.» با این حال، گروه دیگری از محققان در تجزیه و تحلیل‌ خود به این نتیجه رسیدند که تیم آقای داکوم فاصله تا آن کهکشان را به اشتباه اندازه‌گیری کرده است؛ یعنی ماده مرئی آن خیلی کم نورتر و سبک‌تر از یافته‌های اولیۀ آنها بوده است.

۸-نتایج DAMLA/LIBRA چه پیامدهایی دارد؟

یکی از رازهای پابرجا در فیزیک ذرات، نتایج تحیرآور آزمایش DAMLA-LIBRA است. این آشکارساز که در زیر کوه ساسو در ایتالیا قرار دارد، به جستجوی نوسان دوره‌ای ذرات “ماده تاریک” می پردازد. این نوسان با حرکت زمین به دور خورشید و حرکت در منظومه‌شمسی و کهکشان راه شیری که با ماده تاریک احاطه شده است به دنبال بادهای ماده تاریک است. از سال ۱۹۹۷، آزمایش DAMLA-LIBRA مشاهده این سیگنال را گزارش کرده، گرچه هیچ آزمایش دیگری چیزی مثل این ندیده است.

۹-آیا ماده تاریک میتواند بار الکتریکی داشته باشد؟

وجود سیگنالی از نخستین دوران کیهان، باعث شده فیزیکدانان این ایده را مطرح سازند که “ماده تاریک” شاید بار الکتریکی داشته باشد. تابش‌هایی با طول موج ۲۱ سانتی‌متر توسط ستاره‌ها در جهان اولیه ساطع می‌شد (یعنی تنها ۱۸۰ میلیون سال بعد از بیگ بنگ.) این تابش توسط هیدروژن سردی جذب شد که در آن زمان وجود داشت.

وقتی این تابش در ماه فوریه ۲۰۱۹ کشف شد، نشانه‌های آن حاکی از این امر بود که هیدروژن، خیلی سردتر از آن چیزی بوده که دانشمندان تصور می‌کردند. اخترفیزیکدان «جولیان مونوز» از دانشگاه هاروارد اینطور فرضیه‌سازی کرد ماده تاریک ِ دارای بار الکتریکی احتمالا گرما را از هیدروژن دور کرده است. این فرضیه هنوز تایید نشده است.

۱۰-آیا ذرات عادی میتوانند به ماده تاریک تجزیه شوند؟

نوترون‌ها به ذرات مادۀ معمولی با عمر محدود گفته می‌شود. پس از تقریبا ۱۴.۵ دقیقه، یک نوترون تنها که از چنگال یک اتم گریخته، به پروتون، الکترون و نوترینو تجزیه می‌شود. در دو آزمایش دیگر، عمر متفاوتی برای این فروپاشی در نظر گرفته شده و ناهمخوانی بین آنها تقریبا ۹ ثانیه است. اوایل سال ۲۰۱۹، فیزیکدانان اعلام کردند که اگر یک درصد ِ مواقع برخی از نوترون‌ها به ذرات ماده تاریک تجزیه شوند، میتوان آن را دلیلی برای این ناهنجاری در نظر گرفت. «کریستوفر موریس» از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو و تیمش نوترون‌ها را به خاطر سیگنالی که انتظار می‌رفت ماده تاریک باشد، مورد نظارت قرار دادند، اما هیچ چیزی کشف نکردند.

۱۱-آیا ماده تاریک واقعأ وجود دارد؟

با توجه به دشواری‌هایی که دانشمندان در کشف و توضیح “ماده تاریک” مواجه شده‌اند، یک پرسشگر عاقل ممکن است به این فکر کند که شاید تمام راه را اشتباه رفته است. برای سالیان سال، اقلیت فیزیکدانان این ایده را قبول داشتند که شاید نظریات ما از گرانش نادرست باشد و این نیروی بنیادی در مقیاس‌های بزرگ عملکرد متفاوتی نسبت به آن چیزی که انتظار داریم، داشته باشد.

این پیشنهاد که اغلب با عنوان دینامیک نیوتنی اصلاح شده(MOND) شناخته می شود بیان می‌کند که هیچ ماده تاریکی وجود ندارد و سرعت‌های فوق‌العاده بالای چرخش ستارگان و کهکشان‌ها به دور یکدیگر در نتیجۀ رفتار حیرت‌آور گرانش به وجود آمده‌اند. فیزیکدان لینکلن می‌گوید: «ماده تاریک هنوز یک مدل تأیید نشده است. با این حال، مخالفان هنوز باید میدان بزرگتر ِ ایده‌هایشان را متقاعد کنند. و آخرین شواهد چیست؟ این شواهد حاکی از آن است که “ماده تاریک” واقعأ وجود دارد.