می گویند وقتی غمگین و خسته اید و یا وقتی خیلی شاد هستید به آسمان نگاه کنید این طوری خیلی زود یادتان می افتد که جهان خیلی بزرگ است و نه شادی اش خیلی ماندنی است و نه غمش.
راز و رمزهای جهانی که در آن زندگی می کنیم همیشه آدم را به فکر فرو می برد. رازهایی که هنوز خیلی ها در تلاشند تا زودتر کشف شان کنند و دنیا را متحول کنند. ماده تاریک از همان رازهای سر به مهر است که چند سال اخیر بیشتر از همیشه سر زبان ها افتاده و مردم به آن علاقه مند شدند. اگر فیلم سینمایی«خیلی دور، خیلی نزدیک» را دیده باشید شاید به خاطر بیاورید سکانسی را که پدر به پسرش که شیفته آسمان است و برای رصد به کویر رفته، می گوید: «برات تلسکوپی خریدم که باهاش می تونی تمام آسمون رو ببینی» اما پسر که یک منجم است و با آسمان آشناست می گوید: «حتی با قوی ترین تلسکوپ ها هم فقط 4 درصد از جهان قابل دیدنه.» جهانی که میلیاردها کهکشان در آن وجود دارد و در هر کهکشانش حدود 100 میلیارد ستاره و دور هر ستاره اش احتمالا چند سیاره می چرخد. اما جهانی به این بزرگی فقط 4 درصد از کل چیزی است که در عالم وجود دارد و ما درباره بقیه اش(96 درصد باقی مانده) چیزی نمی دانیم چون نامرئی است. ماده ای تاریک که تبدیل به معمایی بزرگ شده است. می گویند شبیه هیچ یک از موادی که ما می شناسیم نیست و ویژگی های خاصی دارد اما اگر نامرئی است و ناشناخته، پس چه طور کشف شده است؟ در سال های اخیر دانشمندان همیشه تاکید کرده اند که هنوز نتوانستند پی ببرند که ماده تاریک واقعا چیست و روزی که ماهیت واقعی این معما کشف بشود احتمالا انقلاب بزرگی در علم رخ می دهد. در این پرونده با این معمای بزرگ کیهانی بیشتر آشنا می شوید. با ما همراه باشید.
سر نخ اول
عامل ناشناخته ای که باعث تعادل کهکشان ها می شد
اولین سرنخ های ماده تاریک در سال 1930 پیدا شد، «فریتس تسوئیکی» دانشمندی بود که روی تعادل کهکشان ها کار می کرد او می خواست بداند چه عاملی باعث تعادل کهکشان هایی که کنار هم قرار گرفته اند شده است. جرمی که او براساس سرعت و چگونگی حرکت کهکشان ها بر اساس قوانین نیوتن محاسبه کرد 400 برابر جرمی بود که بر اساس شدت روشنایی و رصدها آنها تخمین زده شده بود به این نتیجه رسید که این جرم خیلی کوچک است و نمی تواند نیروی گرانش لازم برای خنثی کردن نیروی ناشی از منبسط شدن گازها را ایجاد کند و قاعدتا باید این خوشه متلاشی می شد. اما خب می دید که چنین اتفاقی نیفتاده، پس حتما باید پای یک عامل ناشناخته به این قضیه باز شده باشد، کم کم این عامل، ماده تاریک یا ماده ناشناخته نام گرفت.
سر نخ دوم
محاسبات خانم کیهان شناس
نفر بعدی که گرفتار معمای پر پیچ و خم ماده تاریک شد ورا روبین بود، زنی که شیفته آسمان و پرسش های بی انتهایش بود. او وقت زیادی صرف کرد و سرعت مداری ستارگان در کهکشان ها را حساب کرد و به
تناقض هایی رسید. مثلا این که ستارگان با سرعتی بسیار سریع به دور مرکز کهکشان می چرخیدند و طبعا کهکشان باید متلاشی می شد اما همه چیز کاملا متعادل بود. این مسئله، یکی دیگر از شواهدی بود که وجود ماده تاریک را اثبات می کرد. او معتقد بود که ممکن است ماده ای نامرئی در داخل و بیرون کهکشان ها، وجود داشته باشد که گرانش لازم برای جلوگیری از متلاشی شدن کهکشان ها را به وجود آورد.
سرنخ سوم
کشف تابش زمینه کیهانی
با کشف تابش زمینه کیهانی یعنی تابشی که از اولین لحظه تولد عالم (بیگ بنگ) در فضا باقی مانده است سن دقیق عالم و سرعت انبساطش مشخص شد ولی به نظر می رسید که چیزی در فضا نهفته است و همانند نوعی نیروی ضد گرانشی عمل می کند. این نیرو باعث می شود که به جای آن که جهان متراکم شود و اجزای آن به یکدیگر نزدیک شود، انبساط می یابد.
سر نخ چهارم
وقتی نور خم می شود
وقتش شده که به یکی از تصاویر حیرت انگیز کیهان چشم بدوزید. احتمالا اولش فکر می کنید این تصویر بخشی از آسمان است با چند ستاره. اما این تصویری است که تلسکوپ فضایی هابل از بخشی از فضا گرفته است که بارها بزرگ شده و چند کهکشان را در نمایی دور دست نشان می دهد. هر نقطه نورانی یک کهکشان است، به مجموعه کهکشان هایی که نزدیک به هم باشند، خوشه کهکشانی می گویند و برای این خوشه ها نام های مشخصی ارائه می شود. وقتی به تصویر خوشه کهکشانی «آبل 1689» که ۲٫۲ میلیارد سال نوری با زمین فاصله دارد، نگاه می کنید متوجه خمیدگی نور در میان تصویر می شوید. این اتفاق زمانی رخ می دهد که نور از یک چشمه درخشان در فاصله ای زیاد به ما برسد و در مسیرش از کنار جسم پرجرمی مثل این کهکشان ها بگذرد. به این اجسام که باعث خم شدن نور می شوند اصطلاحا «لنز گرانشی» گفته می شود. براساس نسبیت عام، جرم می تواند فضازمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. سال‌ها پیش از کشف ماده‌ی تاریک٬ اینشتین درنظریه نسبیت عام گفت که نیروی گرانشی می‌تواند نور را خم کند. این نظریه در خورشید گرفتگی سال ۱۹۱۹ میلادی به دست آرتور ادینگتون، منجم انگلیسی اثبات شد. قدرت این لنز عظیم گرانشی به جرم آن بستگی دارد ولی ماده مرئی کهکشان های این خوشه فقط یک درصد از جرم مورد نیاز برای پدید آوردن چنین قوسی را شامل می شود. بنابراین بقیه جرم باید در جایی پنهان باشد تا چنین گرانشی ایجاد کند که نور خم بشود. به نظر می رسد که منبع گرانش شدید این خوشه کهکشانی وجود ماده نامرئی تاریک باشد که چنین کمان های نورانی عجیب و جذابی را به وجود آورده است.
چه طور درباره چیزی که نامرئی است آزمایش می کنیم؟
ظاهرا طبیعت می خواهد رازی را برای ما برملا کند که بسیار مهم و بزرگ است ولی ما هنوز اطلاعات کمی درباره اش پیدا کرده ایم. شبیه یک نقشه پیچیده که قرار است ما را به واقعیتی بزرگ و حتی انقلابی در علم برساند. چیزی که واضح است این است که وقتی نمی توانیم خود ماده تاریک را در آزمایشگاه داشته باشیم و مستقیم مورد آزمایش قرار بدهیم و حتی نمی توانیم با تلسکوپ و ابزارهای دیگر مشاهده اش کنیم پس فقط یک راه برای مان باقی می ماند. آن هم این که اثرات آن را بررسی کنیم. اثرهای ماده تاریک رفتار آن را با دیگر مواد نشان می دهد. مثلا تا الان می دانیم که ماده تاریک نمی تواند با مواد معمولی موجود در جهان برهمکنش داشته باشد. از خودش نوری منتشر نمی کند و نمی تواند نوری که به آن می تابد را هم بازتاب کند. در حقیقت هیچ واکنشی در برابر نور و امواج الکترومغناطیسی ندارد.
اما واقعا دانشمندان چه طور درباره ماده تاریک مطالعه و تحقیق می کنند؟ اصلا چه طور می شود درباره چنین چیزی آزمایش انجام داد؟ برای این آزمایش ها چند روش وجود دارد؛ روش هایی که بررسی مستقیم اثرات ماده تاریک در فضا است و آزمایش هایی که با شبیه سازی های خاص در زمین انجام می شود.
شتاب دهنده بزرگ هادرونی و آزمایشگاه CERN جایی است که ذرات پر انرژی با هم برخورد داده می شوند و از نتیجه برخورد آن ها اطلاعاتی به دست می آید که به تحقیقات کمک می کند. تعامل ماده تاریک با ماده معمولی مثل پروتون و نوترون که اشیاء اطراف ما را می سازند، آن قدر ضعیف است که تلاش های دانشمندان را برای شناسایی مستقیم آن به چالش می کشد. کیهان شناس ها به کمک روش مستقیم، مناطقی از فضا مثل مرکز کهکشان ها که ماده تاریک متمرکز شده را رصد می کنند تا نشانه هایی از برخورد ماده تاریک با ماده عادی را بیابند. ماهواره WMAP و ماهواره پلانک تصاویری از تابش اولیه عالم منتشر می کنند و هر بار اطلاعاتی دقیق تر درباره کیهان ارائه می دهند که دانشمندان با تحلیل آن امیدوارند بخشی از رمز و رازهای ماده تاریک را هم پیدا کنند. آن ها با همین روش پی به وجود ماده تاریک بردند و با بررسی همین تصاویر توانستند تخمین بزنند که مقدار واقعی ماده در جهان چه قدر است و چه مقدار ماده و انرژی تاریک در عالم وجود دارد.
ماده تاریک چه فرقی با ماده معمولی دارد؟
موادی که ما روزانه با آن ها سرو کار داریم از واحد کوچک تری به نام اتم تشکیل شده اند و خود اتم هم از ذرات ریزتری به نام الکترون و پروتون و نوترون. خودکاری که با آن می نویسید و ظرفی که در آن غذا درست می کنید و آبی که می نوشید و هوایی که تنفس می کنید، جنس سیارات منظومه شمسی و جنس ستاره ها و تمام موادی که در عالم می بینید و لمس می کنید همگی همان مواد آشنایی هستند با اغلب خواص شان آشناییم و قوانین فیزیک درباره شان صدق می کند. اما ماده تاریک هیچ کدام از آن خصوصیات را ندارد، نه از جنس مواد آشنایی است که نام بردیم و نه حتی می دانیم چه جنسی می تواند داشته باشد. تنها راه تشخیص آن نیروی گرانشی است که به سبب جرم خود روی اجرام دیگر وارد می کند. برای همین دانشمندان مدام به دنبال اثرات گرانشی آن هستند تا اطلاعات جدیدی درباره اش بیابند.
چه چیزهایی ماده تاریک نیستند؟
اصطلاح ماده تاریک شاید شما را به یاد سیاهچاله ها، ستاره های مرده و مرموز بیندازند اما در حقیقت این دو هیچ ربطی به هم ندارند. ستاره های بسیار پر جرم که در آخر عمرشان منفجر می شوند و
هسته شان بسیار فشرده شده سیاهچاله نامیده می شوند. سیاهچاله ها گرانش قوی دارند تا جایی که حتی نور هم نمی تواند از جاذبه شان فرار کند. سیاهچاله ها با قوانین آشنای فیزیک قابل توجیه هستند و بخشی از زندگی ستاره های پر جرم اند. در حالی که ماده تاریک ماهیتی کاملا ناشناخته دارد و ارتباطی با جنس ستارگان و موادی که می شناسیم ندارد.
چه ذراتی از خانواده ماده تاریک هستند؟
بعد از سال ها تحقیق کیهان شناس ها هنوز با هم اختلاف دارند که بالاخره جنس ماده تاریک چیست و از چه ذراتی تشکیل شده است؟ پیشنهادها و فرضیه های زیادی ارائه شد اما خیلی ها بعد از گذشت زمان رد شدند و یا درستی شان اثبات نشده است. در حال حاضر 5 ذره کاندیدای ماده تاریک هستند که هر کدام به دلایلی انتخاب شدند و طرفدارانی هم دارند. آزمایش ها در آینده احتمالا سرنخ های جدیدی برای فهمیدن جنس ماده تاریک به ما بدهد، آن وقت دقیق تر می توانیم بگوییم ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک چه هستند و چه خواصی دارند.
انرژی تاریک، راز بزرگی که هنوز هیچ سرنخی برایش نداریم
ماجرا وقتی هولناک و تعجب آور می شود که بدانید تمام چیزهایی که در عالم وجود دارد، از زمین گرفته تا ستاره ها و سیاره ها و گازهایی که در فضای کهکشان ها وجود دارد فقط 4 درصد عالم را تشکیل داده است. لازم است چند دقیقه به این قضیه فکر کنید، تمام دانشی که ما داریم و تمام آنچه درباره جهان
می دانیم تنها درباره 4 درصد از جهان است. بهت آور است که باور کنید این همه تلاش از ابتدای شکل گیری علم نجوم و فیزیک برای درک جهان تا کنون فقط برای درک 4 درصد از جهان بوده است. پس بقیه اش چه؟ فعلا فقط می دانیم که 23 درصد دیگر از جهان را ماده تاریک تشکیل داده و از تاثیر جرمش در حرکت کهکشان ها کشف شده است. به نظر می رسد هنوز 73 درصد باقی می ماند. شگفت انگیزترین بخش قضیه این جاست، 73 درصد باقی مانده جهان را انرژی تاریک تشکیل داده است. اگر درباره ماده تاریک تا کنون حدس هایی زده شده و آزمایش هایی طراحی شده، درباره انرژی تاریک اما هنوز هیچ درک درستی نداریم و نمی دانیم که واقعا چیست.
این مطلب در روزنامه خراسان به انتشار رسیده است.
