ماده تاریک چیست؟

ماده تاریک از شاخص‌ترین رازهای کیهانی است که هنوز هم توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است و با اینکه درصد زیادی از جهان را تشکیل می‌دهد، اما قادر به دیدن آن نیستیم. در اینجا مروری داریم بر آنچه که از این ماده می‌دانیم، آنچه ممکن است باشد و اینکه چرا می‌تواند همه چیز را تغییر دهد.

فهرست محتوا

ماده تاریک چیست؟
دلیل وجود ماده تاریک
چرخش کهکشان‌ها
عدسی گرانشی
پراکندگی تابش پس‌زمینه کیهانی
ساختار بزرگ‌مقیاس جهان
ترکیب احتمالی ماده تاریک
ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف
نوترینوهای سنگین یا سترون
اکسیون‌ها
سیاهچاله‌های اولیه
کاوش ماده تاریک
آشکارسازی مستقیم
آشکارسازی غیرمستقیم
شتاب‌دهنده‌ها
مشاهدات نجومی
آزمایش‌های آکسیون و نوترینو
تفاوت ماده تاریک و انرژی تاریک
آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟
اهمیت ماده تاریک در شکل‌گیری کیهان
جمع‌بندی

ماده تاریک چیست؟

«ماده تاریک» (Dark Matter) نوعی ماده‌ی نامرئی و مرموز در کیهان است که هرچند به صورت مستقیم توسط هیچ تلسکوپی قابل مشاهده نیست اما بیش از 80 درصد ماده‌ی موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. این ماده نه نور از خود منتشر می‌کند و نه آن را بازتاب می‌دهد یا جذب می‌کند. در حقیقت وجود ماده‌ی تاریک تنها از طریق اثرات گرانشی آن بر اجرام اطرافش قابل درک است.

توزیع ماده و انرژی در کیهان
Credit: NASA / Big Think

طبق پژوهش‌ها، ستارگان در کهکشان‌ها با سرعتی بسیار بیشتر از آنچه انتظار می‌رود حرکت می‌کنند و این نشان می‌دهد که باید جرم بیشتری نسبت به آنچه مشاهده می‌شود، در آنجا وجود داشته باشد. از سوی دیگر ساختارهای بزرگ در جهان به گونه‌ای شکل می‌گیرند که تنها در صورتی منطقی است که ماده بسیار بیشتری از آنچه که با چشم می‌بینیم، وجود داشته باشد. این جرم نامرئی همان چیزی است که دانشمندان آن را ماده تاریک می‌نامند.

برآوردها نشان می‌دهند که از ترکیب کل انرژی-جرم کیهان حدود 27 درصد را ماده‌ی تاریک تشکیل می‌دهد، در حالی که ماده‌ی معمولی شامل اتم‌ها، ستارگان، سیارات و خود ما تنها حدود 5 درصد را دربر می‌گیرند. بدین ترتیب ماده‌ی تاریک ممکن است کلید درک چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها، روند تکامل کیهان و حتی آنچه در عمیق‌ترین سطح از آن ساخته شده است، باشد.

به نظر می‌رسد که ماده تاریک در سراسر کیهان به صورت یک الگوی شبکه‌ای توزیع شده است و خوشه‌های کهکشانی در گره‌هایی تشکیل می‌شوند که الیاف به هم می‌رسند.
Credit: WGBH

دلیل وجود ماده تاریک

ماده تاریک با نور برهم‌کنشی ندارد و بنابراین نمی‌توان آن را مستقیما دید اما وجود آن بر اساس شواهد گرانشی غیرمستقیم تأیید شده است که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

چرخش کهکشان‌ها

هنگامی که ستاره‌شناسان سرعت چرخش ستارگان به دور مرکز کهکشان‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند، چیز عجیبی می‌یابند. ستارگان در لبه‌های کهکشان‌ها بسیار سریع‌تر از چیزی که بر اساس جرم قابل مشاهده با نور مرئی باید باشند، حرکت می‌کنند. این روند نشان می‌دهد که چیزی نامرئی به جرم کهکشان اضافه می‌کند و مانع از پرتاب شدن آن ستارگان به فضا می‌شود. این جرم نامرئی همان ماده تاریک است.

عدسی گرانشی

طرحی گرافیکی از لنز گرانشی
Credit: NASA, ESA & L. Calçada

طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، اجرام عظیم می‌توانند مسیر نور را خم کنند. وقتی نور از کهکشان‌ها یا خوشه‌های کهکشانی دوردست به سمت ما حرکت می‌کند، گاهی اوقات از نزدیکی توده‌های نامرئی دارای جرم عبور می‌کند که مسیر نور را در پدیده‌ای به نام عدسی گرانشی منحرف می‌کنند. شدت این خمیدگی بیشتر از چیزی است که تنها با ماده‌ی مرئی متناسب باشد. بر همین اساس و با مطالعه‌ی چگونگی انحراف نور توسط خوشه‌های کهکشانی، ستاره‌شناسان توانسته‌اند نقشه‌ای از ماده تاریک در جهان ایجاد کنند.

پراکندگی تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB)

تابش زمینه کیهانی، تابش باقی‌مانده از دوران بیگ بنگ است و شامل نوسانات دمایی کوچکی است که شیوه‌ی توزیع ماده در ابتدای کیهان را نشان می‌دهد. الگوی این نوسانات، تنها در صورتی منطقی است که ماده تاریک وجود داشته باشد و بر چگونگی تجمع ماده‌ی معمولی اثر بگذارد. ناهم‌ترازی‌های ریز در توزیع تابش پس‌زمینه کیهانی نشان می‌دهد که ماده‌ای نامرئی در مراحل اولیه‌ی جهان نقش عمده‌ای ایفا کرده است.

ساختار بزرگ‌مقیاس جهان

شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از تکامل جهان نشان می‌دهد که کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی تنها در صورتی به شکل فعلی درمی‌آیند که مقدار زیادی ماده تاریک وجود داشته باشد و بدون آن، ساختارها بسیار کوچک‌تر و پراکنده‌تر خواهند بود.

ترکیب احتمالی ماده تاریک

با وجود دهه‌ها مطالعه، دانشمندان هنوز دقیقا نمی‌دانند که ماده‌ی تاریک از چه چیزی ساخته شده است. آن‌ها می‌دانند که این ماده از اتم‌های معمولی که ستاره‌ها، سیارات و انسان‌ها را تشکیل می‌دهد، ساخته نشده است. ماده معمولی «باریونی» نامیده می‌شود و به نظر می‌رسد ماده تاریک «غیرباریونی» باشد. در هر حال اگر ماده تاریک وجود داشته باشد، باید جرم داشته باشد و ماده تاریک بدون جرم، رفتاری که بتواند مشکلات موجود را حل کند، ندارد. علاوه بر این، باید در مقایسه با سرعت نور به آرامی حرکت کند. برخی از نامزدهای اصلی به عنوان ساختار ماده‌ی تاریک به صورت زیر است.

ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs)

یکی از محتمل‌ترین گزینه‌ها برای ترکیب ماده تاریک، ذرات فرضی‌ای هستند که با ماده معمولی تنها از طریق گرانش یا نیروی هسته‌ای ضعیف تعامل دارند. این‌ها از جمله نامزدهای اصلی برای ماده‌ی تاریک هستند. این ذرات جرم دارند و با وجود تعامل توسط گرانش و احتمالا نیروی هسته‌ای ضعیف، با نور یا دیگر امواج الکترومغناطیس برهم‌کنش ندارند که باعث نامرئی شدن آن‌ها می‌شود. هرچند آشکارسازهای بزرگ زیرزمینی در تلاش بوده‌اند تا یکی از این ذرات گریزان را در عمل شناسایی کنند، اما تاکنون موفق نشده‌اند.

نوترینوهای سنگین یا سترون (Sterile Neutrinos)

نوترینو نازا می‌تواند ماده‌ی تاریک را توضیح دهد.
Credit: Shutterstock/Kakteen

نوترینوها ذرات شبح‌مانندی هستند که به سختی با ماده برهم‌کنش می‌دهند. نوترینوهای سِتَروَن یا نوترینوهای نازا (بی‌تعامل) حتی از نوترینوهای معمولی هم گریزان‌تر خواهند بود و اگر وجود داشته باشند، می‌توانند بخشی یا تمام ماده‌ی تاریک را تشکیل دهند. این نوع نوترینوها با ماده معمولی تقریبا هیچ تعاملی ندارند، اما ممکن است جرم داشته باشند و بنابراین می‌توانند در نقش ماده تاریک ظاهر شوند.

اکسیون‌ها (Axions)

آکسیون‌ها ذرات بسیار سبکی هستند که ممکن است در نظریه‌های تقارن‌گرا معرفی شوند و نقش ماده‌ی تاریک را ایفا کنند. این ذرات می‌توانند به تعداد زیاد وجود داشته باشند و مانند یک سیال سرد و نامرئی در سراسر فضا عمل کنند. این‌ها یکی دیگر از کاندیداهای شاخص برای ماده تاریک هستند، به ویژه به این دلیل که ممکن است به حل دیگر معماهای فیزیک، مانند مسئله CP قوی در فیزیک ذرات، کمک کنند.

سیاهچاله‌های اولیه

برخی دانشمندان معتقدند که ماده‌ی تاریک می‌تواند از سیاهچاله‌های کوچکی که در اوایل کیهان تشکیل شده‌اند، ساخته شده باشد. این سیاهچاله‌ها کوچک و تشخیص آن‌ها دشوار است، اما این نگاه، همچنان یک احتمال بعید است.

جست‌وجوی ماده تاریک

دانشمندان از روش‌های مختلفی برای کشف یا اثبات ماده تاریک استفاده می‌کنند که شامل آشکارسازی مستقیم، آشکارسازی غیرمستقیم و شتاب‌دهنده‌ها می‌شود.

با توجه به اینکه نمی‌دانیم ماده‌ی تاریک چیست، برای هر کاندیدای احتمالی برای آن، استراتژی جست‌وجوی متفاوتی وجود دارد. از جمله آشکارسازهای غول‌پیکری در اعماق زمین ساخته می‌شود تا از تمام ذرات دیگری که در محیط اطراف ما جریان دارند، دور باشند و پس از عبور از زمین بالای سر، دانشمندان به دنبال سیگنال‌هایی از برخورد ماده‌ی تاریک به آشکارساز می‌گردند.

آشکارسازی مستقیم

مرکز واکنش آزمایش XENONnT
Credit: XENON Collaboration

نصب آشکارسازهایی درون زمین که احتمالا بتوانند برخوردهای نادر ماده‌ی تاریک با ماده معمولی را ثبت کنند. این نوع آزمایش‌ها که اغلب در اعماق زمین انجام می‌شوند تا از پرتوهای کیهانی محافظت شوند، برای شناسایی ذرات ماده‌ی تاریک در حال برهم‌کنش با یک آشکارساز طراحی شده‌اند. آزمایش‌هایی مانند LUX-ZEPLIN (LZ) و XENONnT از این جمله هستند که حساسیت آشکارسازی را به سطوح جدیدی ارتقا می‌دهند.

آشکارسازی غیرمستقیم

در این روش تابش‌هایی مانند گاما یا نوترینو که ممکن است از فروپاشی یا برخورد ذرات ماده تاریک ایجاد شود، پایش می‌شوند.

شتاب‌دهنده‌ها

در این روش از شتاب‌دهنده‌های ذرات مانند برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC) استفاده می‌شود که امید می‌رود ذرات ماده‌ی تاریک در برخوردهای پرانرژی تولید شوند. «برخورددهنده هادرونی بزرگ» (LHC) ذرات را با انرژی‌های بالا به هم برخورد می‌دهد و به طور بالقوه ذرات ماده تاریکی ایجاد می‌کند که هرچند از شناسایی شدن می‌گریزند اما در داده‌های برخوردی، انرژی و تکانه گمشده‌ای از خود بر جای می‌گذارند.

مشاهدات نجومی

تلسکوپ‌ها در سراسر جهان و در فضا همچنان با استفاده از عدسی گرانشی و بررسی کهکشان‌ها، نقشه‌ی پراکندگی ماده‌ی تاریک را ترسیم می‌کنند. ابزارهایی مانند رصدخانه «ورا روبین» و مأموریت اقلیدس آژانس فضایی اروپا، داده‌های حتی بهتری هم در این زمینه ارائه خواهند کرد.

رصدخانه ورا روبین
Credit: Aliro Pizarro Díaz/Rubin Observatory/NSF/AURA/

آزمایش‌های آکسیون و نوترینو

آزمایش‌های اختصاصی مانند ADMX (آزمایش ماده تاریک اکسیون) و جست‌وجو برای نوترینوهای نازا، دیگر نامزدهای بالقوه ماده‌ی تاریک را آزمایش می‌کنند.

تفاوت ماده تاریک و انرژی تاریک

در حالی که درباره‌ی هر دو اصطلاح «تاریک» به کار می‌رود و هر دو غیرقابل مشاهده‌اند، اما تفاوت اساسی میان آن‌ها وجود دارد.

ماده تاریک نیروی گرانشی دارد و باعث افزایش جرم کل کیهان و چسبندگی کهکشان‌ها به یکدیگر می‌شود و حتی می‌توان اثر گرانشی آن را بر حرکت اجرام فضایی مشاهده کرد. اما به نظر می‌رسد انرژی تاریک برعکس عمل می‌کند و نیرویی است که باعث شتاب‌گرفتن انبساط کیهان می‌شود. انرژی تاریک حدود 68 درصد از ترکیب کیهان را تشکیل می‌دهد و ماهیت آن هنوز بسیار مرموز است.

انرژی تاریک موجب گسترش کیهان می‌شود.
Credit: University of Chicago

به بیان ساده، ماده تاریک مانند چسبی کیهانی عمل می‌کند که اجرام را در کنار هم نگه می‌دارد، در حالی که انرژی تاریک نیرویی گسست‌دهنده است که کیهان را به سوی انبساط شتابدار سوق می‌دهد.

آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

برخی فیزیک‌دانان بر این باورند که شاید به جای حرکت به سمت تشخیص و اثبات وجود ماده تاریک، نیازمند بازنگری در نظریه گرانش نیوتنی یا نسبیتی باشیم.

چند پژوهشگر پیشنهاد داده‌اند که ماده تاریک اصلا وجود ندارد و در عوض، شاید نیاز باشد که درک ما از گرانش در مقیاس‌های بزرگ تغییر کند. یکی از برجسته‌ترین نظریه‌های جایگزین، «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» (Modified Newtonian Dynamics) یا MOND نام دارد. این نظریه، شیوه‌ی رفتار گرانش را در شتاب‌های بسیار کم، مانند شتاب‌های موجود در لبه‌ی کهکشان‌ها، تنظیم می‌کند.

با این حال، MOND و نظریه‌های مشابه برای توضیح همه‌ی شواهد، به ویژه الگوهای دقیق در ریزموج پس‌زمینه کیهانی و عدسی گرانشی، با مشکل مواجه هستند. به همین دلیل است که اکثر دانشمندان هنوز فکر می‌کنند ماده‌ی تاریک یک ماده واقعی است.

اهمیت ماده تاریک در شکل‌گیری کیهان

بدون وجود ماده تاریک، ساختارهای بزرگ‌مقیاس کیهان مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی احتمالا به شکلی که امروزه می‌بینیم، تشکیل نمی‌شدند. ماده‌ی تاریک با ایجاد گرانش اضافی، باعث متراکم شدن گازهای کیهانی در نواحی خاص شد که در نهایت زمینه را برای پیدایش کهکشان‌ها و ستارگان فراهم کرد.

ماده تاریک نقش پررنگی در تکامل کیهان داشته است.
Credit: Vera Rubin Observatory

جمع‌بندی

ماده تاریک یکی از بزرگ‌ترین اسرار فیزیک و کیهان‌شناسی مدرن به شمار می‌رود. هرچند ما نمی‌توانیم آن را ببینیم، لمس کنیم یا مستقیما آشکار کنیم، اما حضورش را از نشانه‌های غیرمستقیم در سراسر کیهان حس می‌کنیم. درک بهتر ماهیت این ماده می‌تواند در آینده‌ای نه‌چندان دور، نگرش ما را نسبت به ساختار و سرنوشت جهان دگرگون سازد.

منابع: Space, NASA, Britanica

نوشته ماده تاریک چیست؟ اولین بار در دیجی‌کالا مگ. پدیدار شد.

منبع