11 سؤال بزرگ بی‌پاسخ در مورد ماده تاریک

MacTavish · 31/1/20

ماده تاریک را می‌توان اسرارآمیزترین ماده کائنات نامید. در اینجا 11 سؤال بزرگ بی‌پاسخ در مورد این ماده اسرارآمیز هستی آورده شده است و در ادامه به بحث پیرامون ماده تاریک می‌پردازیم. با گجت نیوز همراه باشید.

در سال 1930، یک ستاره‌شناس سوئیسی با نام فریتز زویکی متوجه شد که کهکشان‌های واقع در یک ابر خوشه بسیار دور با سرعتی بیشتر از حد مورد انتظار به دور یکدیگر در گردش هستند. در واقع سرعت گردش این کهکشان‌ها به دور یکدیگر، با در نظر گرفتن توده و جرم قابل مشاهده آن‌ها، بیشتر از حد معمول بود. این موضوع سبب شد فریتز زویکی فرضیه وجود یک ماده غیر قابل مشاهده را مطرح کند. ماده تاریک نامی است که در نهایت برای این ماده انتخاب شد. به عقیده وی، ماده‌ای ناشناس به وسیله اعمال گرانش روی کهکشان‌ها باعث می‌شود که سرعت گردش آن‌ها افزایش پیدا کند.

از آن زمان به بعد، مطالعات بیشتری در این باره صورت گرفته و مشخص شد که این ماده اسرارآمیز در سرتاسر کیهان وجود دارد. بر اساس تحقیقات، فروانی ماده تاریک در مقایسه با ماده‌ای که اشیای عادی همچون ستاره‌ها، سیارات و حتی انسان‌ها از آن تشکیل شده‌اند، شش برابر بیشتر است. اگرچه دانشمندان به وجود چنین ماده‌ای در کائنات پی برده‌اند و در موجودیت آن شکی نیست، اما همچنان سؤالات و ابهاماتی زیادی در این باره وجود دارد.

1. ماده تاریک چیست؟

اولین و عجیب‌ترین نکته درباره ماده تاریک این است که دانشمندان به وجود چنین ماده‌ای اقرار کرده‌اند و در موجودیت آن شکی نیست، اما مطمئن نیستند که این ماده دقیقا چیست. برخی دانشمندان حدس می‌زنند که جرم گمشده در جهان از ستاره‌های کم نور و سیاه چاله‌ها ایجاد شده است. البته بر اساس گفته‌های فیزیک‌دانی به نام دان لینکلن و طبق مشاهداتی که انجام گرفته است، ارتباط چندانی بین چنین اشیایی و ماده تاریک وجود ندارد.
در حال حاضر، تنها فرضیه پذیرفته شده دراین باره آن است که ماده تاریک از یک ذره فرضی به نام ذره سنگین با برهم‌کنش ضعیف یا به اختصار WIMP تشکیل یافته است. بر اساس توضیحات دان لینکلن این ذره شبیه به نوترون عمل می‌کند، با این تفاوت که در مقایسه با یک پروتون بین 10 تا 100 برابر سنگین‌تر است. با این حال، این فرضیه فقط باعث شده که سؤالات بیشتری به وجود آید.

2. آیا می‌توانیم ماده تاریک را شناسایی کنیم؟

اگر ماده تاریک از ذرات WIMP ایجاد شده باشد، باید در همه جا در اطراف ما به صورت نامرئی وجود داشته و به سختی قابل شناسایی باشد. اگر اینطور است، پس چرا قادر به شناسایی آن نیستیم؟ اگرچه WIMP با دیگر مواد عادی تعامل زیادی ندارد، اما همیشه احتمال برخورد یک ذره ماده تاریک با ذرات عادی همچون پروتون یا الکترون حین حرکت آن در فضا وجود دارد.

دانشمندان به منظور مطالعه روی تعداد زیادی از ذرات عادی در عمق زمین، آزمایش‌های زیادی انجام داده‌اند که تلاش می‌شود از مواد در مقابل تداخل تشعشع محافظت شود که می‌تواند رفتاری مانند برخورد ذرات ماده تاریک را منجر شود. مشکل اینجاست که پس از چندین دهه تحقیق هیچ یک از آشکارسازهای طراحی‌شده نتیجه‌ای در پی نداشته است.

آخرین آزمایش در این رابـ*ـطه به پروژه‌ای در کشور چین با نام PandaX برمی‌گردد که دوباره نتیجه‌ای برای شناسایی ماده تاریک در پی نداشته است. طبق گفته‌های های بو یو، فیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا، به نظر می‌رسد که ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک از ابعادی که دانشمندان برای WIMP قائل هستند، به مراتب کوچک‌تر بوده یا فاقد خواصی هستند که می‌تواند مطالعه آن‌ها را تسهیل کند.

3. آیا ماده تاریک از بیش از یک ذره تشکیل یافته است؟

مواد عادی از ذراتی مانند پروتون و الکترون و مجموعه کاملی از ذرات دیگر مانند نوترینوها، میون‌ها و پیون‌ها تشکیل شده‌اند. اما دانشمندان درباره ساختار ماده تاریک، که 85 درصد کل مواد موجود در کائنات را تشکیل می‌دهد، تردید دارند و می‌گویند این ماده نیز ممکن است از چندین ذره تشکیل شده باشد. بر اساس گفته‌های آندری کتز، فیزیک‌دان دانشگاه هاروارد، هیچ دلیل معقولی برای این فرضیه وجود ندارد که این نوع ماده تنها از یک نوع ذره تشکیل یافته است.

به عقیده وی پروتون‌های ماده تاریک با الکترون‌های آن ترکیب شده و اتم‌های ماده تاریک را به وجود می‌آورند. با توجه به تفاوت ماده تاریک با سایر ماده‌های عادی که می‌شناسیم، بدون شک ذرات زیر اتمی آن دارای خواص منحصربه‌فردی هستند که پیکربندی‌های متنوع و جالبی را مانند پیکربندی‌های موجود در جهان به وجود می‌آورند. فرضیات مشابه بسیاری در آزمایشگاه‌های فیزیک توسط دانشمندان مطرح شده‌اند، اما آن‌ها طی چند سال اخیر موفق به تأیید یا رد این فرضیه‌ها نشده‌اند.

4. آیا نیروهای تاریک وجود دارد؟

در کنار ذرات احتمالی تشکیل‌دهنده این ماده، نظریه‌ای درباره وجود نیروهایی شبیه به نیروهای درونی موجود در سایر ماده‌ها مطرح شده است. برخی دانشمندان در جستجوی فوتون‌های تاریک هستند که احتمالا حقیقتی شبیه به فوتون‌های منتقل‌شده بین ذرات عادی دارند که باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی می‌شود، با این تفاوت‌ها که آن‌ها باعث می‌شوند این نیرو فقط توسط ذرات ماده تاریک احساس شود.

فیزیک‌دانان ایتالیایی به منظور یافتن پاسخ این سوال، آزمایشی برای تاباندن پرتویی از الکترون‌‌ها و پاد ذرات آن‌ها با نام پوزیترون به داخل یک الماس را انجام دادند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت الکترون – پوزیترون می‌تواند یکی از عجیب‌ترین ذرات منتقل‌کننده نیرو را از بین برده یا به وجود آورد که بدین ترتیب پنجره‌ای جدید به روی دانشمندان و کل جهان گشوده می‌شود.

5. آیا ماده تاریک ممکن است از اکسیون‌ها ایجاد شده باشد؟

با کاهش توجه فیزیک‌دانان به ذرات WIMP، ذرات فرضی جدید متعلق به ماده تاریک در کانون توجه قرار گرفتند. یکی از ذرات فرضی که توجه فیزیک‌دانان زیادی را به خود جلب کرده است، اکسیون است. برخلاف WIMP، اکسیون فوق‌العاده سبک بوده و حجم بسیار بسیار کمتری نسبت به پروتون دارد.

طی سال‌های اخیر چندین تحقیق برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این ذرات انجام شده است. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای منجر به افزایش احتمال شباهت اکسیون‌ها به اشیایی همانند ستاره‌ها منجر شده است که ممکن است آن‌ها بتوانند تشعشع قابل شناسایی از خود ساطع کنند. این تشعشع شبیه به پدیده مرموزی است که به اصطلاح انفجارهای رادیویی سریع نامیده می‌شود.

6. خواص ماده تاریک چیست؟

ستاره شناسان ماده تاریک را از طریق تعامل‌های گرانشی آن با ماده عادی کشف کردند که نشان می‌دهد این نوع تعامل اصلی‌ترین روش ماده تاریک برای نشان دادن خود در سرتاسر هستی است. اما دانشمندان در رابـ*ـطه با تلاش برای فهم حقیقت و طبیعت واقعی این ماده چندان موفق نبوده‌اند. بر اساس بعضی نظریات، ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک باید پاد ذره خود این ماده باشند. این بدان معناست که دو ذره از چنین ماده‌ای در صورت برخورد باعث نابودی یکدیگر می‌شوند.

از سال 2011 آزمایشی در ایستگاه فضایی بین‌المللی با نام اختصاری AMS آغاز شده است تا شاید دانشمندان به نشانه‌هایی درباره این فرضیه نابودی در اثر برخورد ذرات با یکدیگر دست پیدا کنند و از زمان شروع این پروژه تا به امروز صدها هزار رویداد شناسایی شده است. دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که آیا این‌ها از ماده تاریک نشأت می‌گیرند یا خیر و همچنان در تلاش هستند تا به ماهیت دقیق آن دست پیدا کنند.

7. آیا ماده تاریک در همه کهکشان‌ها وجود دارد؟

با توجه به وزن بسیار بیشتر این ماده نسبت به ماده عادی گفته می‌شود که ماده تاریک نیروی کنترل‌کننده‌ای است که ساختارهای بسیار بزرگ مثل کهکشان‌ها و خوشه‌های کهشکانی را سازماندهی می‌کند. موضوع عجیب آن است که اوایل سال 2018 ستاره‌شناسان کهکشانی به نام NGC 1052-DF2 را کشف کردند که به نظر می‌رسد تقریبا هیچ ماده تاریکی در آن وجود ندارد.

بر همین اساس به نظر می‌رسد که وجود ماده تاریک برای تشکیل شدن کهکشان‌ها ضروری نیست. یک تیم تحقیقاتی دیگر بر اساس یک سری آنالیز نشان دادند که در تحقیق قبلی در مورد اندازه‌گیری فاصله کهکشان NGC 1052-DF2 خطا وجود داشته است و به همین دلیل ماده قابل رویت آن به مراتب کم نورتر و سبک‌تر از یافته‌های اولیه بوده است و در اصل بخش بیشتری از این کهکشان را نسبت به نتایج قبلی ماده تاریک تشکیل می‌دهد.

8. نتایج آزمایش DAMA/LIBRA نشانگر چیست؟

یکی از رازهای حل‌نشده مربوط به فیزیک ذرات عبارت است از نتایج پیچیده و حل‌نشده یک آزمایش به نام DAMA/LIBRA که در اروپا صورت گرفته است. این آشکارساز در اعماق یک معدن در زیر کوه گران ساسو در ایتالیا قرار گرفته است و با استفاده از آن به جستجو در مورد نوسانات دوره‌ای در ذرات ماده تاریک پرداخته‌اند.

این نوسان باید با گردش زمین به دور خورشید و همزمان با پرواز ذرات از میان جریان کهکشانی ماده تاریک که منظومه شمسی ما را احاطه کرده است، افزایش پیدا کند که برخی مواقع باد ماده تاریک نامیده می‌شود. از سال 1997، دانشمندان ادعا کرده‌اند که دقیقا این سیگنال را از طریق آشکارساز DAMA/LIBRA مشاهده کرده‌اند، هر چند در هیچ آزمایش دیگری چیزی شبیه به این دیده نشده است.

9. آیا چنین ماده‌ای می‌تواند دارای بار الکتریکی باشد؟

یک سیگنال از همان سرآغاز باعث شده تا فیزیک‌دانان این فرضیه را مطرح کنند که این ماده احتمالا دارای بار الکتریکی است. تشعشعی با طول موج 21 سانتی‌متر توسط ستاره‌ها در اوایل خلقت کیهان ساطع شد که به 180 میلیون سال پس از رویداد بیگ بنگ برمی‌گردد. این تشعشع در آن زمان به وسیله هیدروژن سردی که در محیط وجود داشت جذب شد.

وقتی وجود چنین تشعشعی در فوریه سال گذشته کشف شد، مشخص شد که هیدروژن به مراتب سردتر آن چیزی بوده است که دانشمندان پیش‌بینی می‌کردند. بر اساس فرضیه‌ متخصص فیزیک نجومی دانشگاه هاروارد، جولیان مونوز، این ماده به واسطه بار الکتریکی خود احتمالا گرمای تمام هیدروژن را تخلیه کرده است که به نوعی شبیه به تکه یخ‌هایی می‌باشد که در لیموناد شناور هستند. البته این فرضیه هنوز تأیید نشده است.

10. آیا ذرات عادی با فروپاشی می‌توانند به ماده تاریک تبدیل شوند؟

نوترون‌ها یکی از ذرات عادی با عمر محدود هستند. بعد از حدود 14.5 دقیقه، یک نوترون تنها به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو فروپاشیده می‌شود. اما بر اساس دو آزمایش جداگانه، طول عمر متفاوتی برای این فرآیند فروپاشی به دست آمد، به طوری که اختلاف 9 ثانیه‌ای بین آ‌ن‌ها وجود داشت.

در ابتدای سال 2018، فیزیک‌دانان پیشنهاد کردند اگر یک درصد از زمان برخی از نوترون‌ها به ذرات این ماده فروپاشیده شوند، نوعی ناهنجاری به وجود می‌آید. کریستوفر موریس به همراه تیم خود برای دریافت سیگنالی که می‌توانست ماده تاریک باشد، نوترون‌ها را مورد بررسی قرار دادند، اما نتوانستند چیزی را شناسایی کنند. آن‌ها بر اساس مطالعه خود اظهار داشتند که سناریوهای فروپاشی دیگری ممکن است همچنان امکان‌پذیر باشد.

11. آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

با توجه به مشکلاتی که دانشمندان در مسیر شناسایی و تشریح ماده تاریک با آن مواجه شده‌اند، یک سوال اساسی پدید می‌آید که آیا چنین ماده‌ای واقعا وجود دارد یا خیر. برای مدت های طولانی تعداد کمی از فیزیک‌دانان اظهار داشته‌اند که احتمالا نظریات آن‌ها در مورد گرانش در واقع اشتباه بوده و به همین دلیل این نیرو در مقیاس‌های بزرگ متفاوت از آنچه انتظار می‌رود، رفتار می‌کند.

این اظهارات تحت عنوان مدل‌های MOND نشان می‌دهند که چنین ماده‌ای وجود ندارد و سرعت فوق‌العاده بالایی که ستاره‌ها و کهکشان‌ها را در حالت گردش به دور یکدیگر می‌بینیم، نتیجه رفتار گرانشی است. به گفته دان لینکلن ماده تاریک همچنان مدلی تأیید نشده است. البته شواهدی هم حکایت از آن دارد که این ماده واقعی است.