دهه 1930 میلادی اخترشناس سوئیسی به نام «فریتز تسویکی» (Fritz Zwicky) متوجه شد که تنها با در نظر گرفتن مقدار جرم قابل مشاهده کهکشان‌ها در خوشه‌های دوردست نمی‌توان سرعت بالای چرخش آن‌‌ها را توضیح داد. بدین دلیل او ماده‌ای نامرئی به نام ماده تاریک را معرفی کرد تا بتواند با استفاده از اثرات گرانشی آن سرعت چرخش کهکشان‌ها را توضیح دهد.

از آن زمان تاکنون، پژوهشگران بسیاری تأیید کرده‌اند که ردپای این ماده مرموز نه تنها در سراسر کیهان یافت می‌شود، بلکه فراوانی آن حدود شش بار بیشتر از تمام ماده معمولی است که چیزهای عادی مثل ماه و ستارگان را شکل داده است.

با این وجود ماهیت ماده تاریک هنوز به درستی برای جامعه علمی مشخص نشده و پرسش‌های فراوانی راجع به ماده تاریک وجود دارد. در این مطلب، قصد داریم به مهم‌ترین پرسش‌هایی بپردازیم که درباره ماده تاریک مطرح است.

ماده تاریک چیست؟

نخستین مسئله این است که پژوهشگران هنوز درباره ماهیت ماده تاریک اطلاعی ندارند. در ابتدا برخی دانشمندان تصور می‌کردند جرم گم شده عالم مربوط به ستارگان محو و سیاه‌چاله‌های کوچک بر جای مانده از مه‌بانگ است؛ هر چند رصدهای دقیق هرگز به میزان کافی چنین اجرامی را مشاهده نکرد تا بتوان آثار ماده تاریک را به آن‌ها نسبت داد.

نظریه محبوب‌تری که در حال حاضر طرفداران زیادی دارد، این است که ماده تاریک از یک ذره زیراتمی ساخته شده که این ذره هنوز کشف نشده است. نامزدهای زیادی برای این ذره وجود دارد که از بین آن‌ها، «ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف» یا به اختصار ویمپ (WIMP) محتمل‌تر به نظر می‌رسند. ویمپ‌ها ذراتی هستند که تا حدودی شبیه نوترون رفتار می‌کنند، با این تفاوت که بین 10 تا 100 برابر سنگین‌تر از پروتون هستند. این ذرات توسط نظریه اَبَرتقارن و دیگر نظریه‌هایی که ادعا می‌کنند فضا بیش از سه بعد دارد، پیش‌بینی شده‌اند. در نظریات ابعاد بالاتر بازتاب‌های این ابعاد، اصطلاحاً به عنوان ذرات «کالوزا-کلین» (Kaluza-Klein) آشکار می‌شوند که بسیار سنگین‌تر از ذرات زیراتمی استاندارد هستند.

با این وجود، چنین فرضیه‌هایی مبدا پرسش‌های بیشتری شده است که در ادامه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

برای آشنایی بیشتر با ذرات بنیادی، می‌توانید فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی (Particle Physics) را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده است. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

  • برای دیدن فیلم آموزش مبانی فیزیک ذرات بنیادی (Particle Physics) + کلیک کنید.

آیا می‌توان ماده تاریک را آشکارسازی کرد؟

اگر ماده تاریک از ذرات ویمپ ساخته شده است، هر چند نامرئی و غیرقابل ردیابی تصور شود ولی باید در اطراف ما حضور داشته باشد. با این فرض چرا هنوز حتی یک نمونه از این ذرات مشاهده نشده‌اند؟

اگرچه اندرکنش این ذرات با ذرات ماده معمولی کم است، اما همیشه این احتمال وجود دارد که یک ذره ماده تاریک هنگام حرکت در فضا با یک ذره مانند الکترون یا پروتون برخورد کند.

به همین دلیل، پژوهشگران در اعماق زمین آزمایش‌های فراوانی بر روی ذرات معمولی ترتیب داده‌اند. انتخاب اعماق زمین برای انجام آزمایش‌ها بدین دلیل است که بتوان اثر تابش‌هایی که شبیه به برخورد ذره ماده تاریک است را به حداقل رساند.

با این وجود پس از چندین دهه جست‌وجو حتی یکی از این آشکارسازها نتوانسته است کشف موفقی انجام دهد. آخرین مورد آزمایش PandaX چین بود که عدم مشاهده ذره ویمپ را گزارش داد. به نظر می‌رسد ذرات ماده تاریک یا به مراتب کوچک‌تر از ذرات ویمپ هستند، یا فاقد خصوصیاتی هستند که به راحتی بتوان آن‌ها را مطالعه کرد.

پانداکس
تصویر ۱: محققان آزمایشگاه PandaX چین

آیا ماده تاریک از بیش از یک ذره ساخته شده است؟

ماده قابل مشاهده در عالم از ذرات شناخته شده‌ای مانند الکترون‌ها و پروتون‌ها، در کنار مجموعه کاملی از ذرات عجیب و غریب‌تر همچون نوترینوها، میون‌ها و پیون‌ها ساخته شده‌اند. به همین دلیل تصور برخی پژوهشگران این است که شاید ماده تاریک که 85 درصد کل ماده عالم را تشکیل داده ترکیبی از چندین ذره باشد.

براساس این نظریه لزوماً تمام ماده تاریک عالم از یک نوع ذره ساخته نشده است. پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند تا اتم‌های تاریک را شکل دهند و ساختارهایی گوناگونی همانند ماده مرئی ایجاد کنند. اگرچه چنین فرضیه‌هایی در آزمایشگاه‌های فیزیک طرفداران زیادی دارد اما دانشمندان هنوز راهی برای تأیید یا رد آن‌ها در اختیار ندارند.

آیا کمیتی به نام نیروی تاریک وجود دارد؟

نیروی بین ذرات تاریک می‌تواند از جنس نیروی معمولی باشد، با این حال دانشمندانی وجود دارند که در جست‌وجوی «فوتون‌های تاریک» (Dark Photon) هستند. این فوتون‌ها مشابه فوتون‌هایی هستند که بین ذرات عادی مبادله شده و نیروی الکترومغناطیسی را شکل می‌دهند، با این تفاوت که تنها توسط ذرات ماده تاریک احساس می‌شوند. گروهی از دانشمندان در ایتالیا در تلاش هستند تا در داخل قفسی از جنس الماس، پرتوهایی از الکترون‌ها را به پاد ماده متناظر آن‌ها یعنی پوزیترون‌ها برخورد دهند. اگر پروتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت الکترون-پوزیترون باید نابود شود و هم‌زمان، یکی از عجیب‌ترین ذرات حامل نیرو را خلق کند که ممکن است دروازه‌ای را به سوی بخش کاملاً جدیدی از کیهان به روی ما باز کند.

آیا ماده تاریک از آکسیون ساخته شده است؟

با شکست در مشاهده ویمپ‌ها به عنوان ذرات ماده تاریک در آزمایشات مختلف، ذرات دیگری به عنوان کاندید‌های احتمالی ماده تاریک معرفی شده‌اند، یکی از این کاندیدها ذره‌ای به نام «آکسیون» (Axion) است.

آکسیون ذره‌ای فوق‌العاده کم جرم است و احتمال داشتن جرمی $$10^{31}$$ بار سبک‌تر از پروتون را دارد. در حال حاضر، آزمایش‌های اندکی برای مشاهده آکسیون‌ها برنامه‌ریزی شده‌اند؛ اما شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای اخیر این احتمال را تقویت می‌کند که آکسیون‌ها می‌توانند اجرامی ستاره مانند ایجاد کنند که توانایی تولید تابش‌هایی قابل ردیابی را داشته باشد؛ تابشی که شبیه به پدیده اسرارآمیزی دیگری موسوم به «فوران‌های رادیویی سریع» یا به اختصار FRB است.

خواص ماده تاریک چیست؟

دانشمندانی که وجود ماده تاریک را به واسطه کنش گرانشی آن با ماده معمولی کشف کرده‌اند، عقیده دارند که بهترین روش شناخت حضور این ماده در جهان نیز از همین راه است. اما مشکل اصلی این است که برای این شناخت ابزاری در دست نیست.

طبق برخی نظریه‌ها، ذرات ماده تاریک باید پادذره‌های خودشان باشند که به این معنی است که برخورد آن‌ها با یکدیگر باعث نابودی هر دو ذره و پادذره تاریک می‌شود. آزمایش طیف‌سنج مغناطیسی «آلفا» (AMS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی از سال 2011 در جست‌وجوی نشانه‌هایی دال بر این نابودی بوده است و تا کنون صدها هزار رخداد را شناسایی کرده است. با وجود این دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که این رخدادها ناشی از ماده تاریک باشد و رخدادهای ثبت شده کمکی به مشخص شدن واقعیت ماده تاریک نمی‌کند.

طیف‌سنج مغناطیسی آلفا
تصویر ۲: طیف‌سنج مغناطیسی آلفا مستقر در ایستگاه فضایی بین‌المللی

آیا ماده تاریک در تمام کهکشان‌ها یافت می‌شود؟

از آنجا که ماده تاریک در کیهان به میزان چشمگیری بیش از ماده معمولی است، اغلب گفته می‌شود که ماده تاریک نیروی حاکم بر ساختارهای بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را فراهم می‌کند.

ولی در سال 2018 گروهی از اخترشناسان اعلام کردند، کهکشانی به نام NGC 1052-DF2 یافته‌اند که به نظر می‌رسد به هیچ وجه حاوی ماده تاریک نیست و بدین ترتیب ماده تاریک برای تشکیل یک کهکشان ضروری نیست.

در بررسی‌های بیشتر در تابستان همان سال مشخص شد فاصله کهکشان اشتباه اندازه‌گیری شده و در نتیجه ماده مرئی آن بسیار محوتر و کم جرم‌تر از یافته‌های اولیه است. همچنین این بررسی‌ها نشان داد بخش بیشتری از جرم این کهکشان ماده تاریک است. با این حال کماکان یک پرسش بی‌پاسخ باقی مانده است: آیا ماده تاریک الزامی برای شکل‌گیری کهکشان‌ها است؟

از نتایج آزمایش ماده تاریک چه خبر؟

یکی از قدیمی‌ترین معماهای فیزیک ذرات مربوط به نتایج عجیب آزمایشی به نام «داما/لیبرا» (DArk MAtter/ Large sodium Iodide Bulk for RAre processes) یا DAMA/LIBRA است که توسط اروپاییان انجام شده، این آزمایش به وسیله یک آشکارساز که در معدنی در کوهستان «گران‌ساسو» (Gran Sasso) ایتالیا واقع شده انجام می‌شود و به دنبال یافتن نوسان دوره‌ای ذرات ماده تاریک است.

آزمایش داما/لیبرا
تصویر ۳: آزمایش داما/لیبرا واقع در گران‌ساسو ایتالیا

به دلیل حرکت زمین در مدارش به دور خورشید و گذر از میان جریان ماده تاریکی که منظومه شمسی را احاطه کرده و آن را «باد ماده تاریک» (Dark Matter Wind) نیز می‌گویند، انتظار می‌رود نوسان ماده تاریک مشاهده شود. از سال 1997، آزمایش داما/لیبرا مدعی است این سیگنال را مشاهده می‌کند، هر چند هیچ آزمایش دیگری موفق نشده چیزی شبیه آن را ببیند.

آیا ماده تاریک بار الکتریکی دارد؟

در دوران ابتدایی عالم و زمانی که تنها 180 میلیون سال از مه‌بانگ می‌گذشت، تابشی با طول موج 21 سانتی‌متر توسط ستارگان منتشر شد و هیدروژن سردی که در همان زمان در سراسر کیهان پراکنده بود، این تابش را جذب کرد.

آثار این تابش که در فوریه سال 2018 برای نخستین بار شناسایی شد نشان می‌داد که هیدروژن جذب‌کننده آن به مراتب سردتر از پیش‌بینی‌های دانشمندان بوده است.

بر اساس فرضیه برخی فیزیکدان‌ها، بار الکتریکی ماده تاریک همانند قطعه یخ‌ در لیوان نوشیدنی، گرمای تمام هیدروژن آن دوران پخش شده در عالم را بیرون کشیده و به خود جذب کرده است. با وجود این هنوز راهی برای تأیید چنین حدس و گمانی وجود ندارد.

آیا ذرات عادی می‌توانند به ماده تاریک واپاشی کنند؟

نوترون‌ها ذرات ماده معمولی هستند که طول عمر محدودی دارند. پس از حدود ۱۴٫۵ دقیقه، یک نوترون منفرد که خارج از هسته‌اتم قرار دارد، به پروتون، الکترون و نوترینو واپاشی می‌کند.

با این حال دو چیدمان متفاوت آزمایشگاهی طول عمرهای متفاوتی برای این واپاشی نشان می‌دهند که حدود 9 ثانیه با هم اختلاف دارند. اوایل سال ۲۰۱۸، فیزیکدان‌ها این مسئله را مطرح کردند که این تفاوت زمان در واپاشی نوترون‌ها می‌تواند به این دلیل باشد که در واپاشی بعضی از نوترون‌ها ذرات ماده تاریک تولید می‌شود. ولی در آزمایشی که توسط گروهی از پژوهشگران «آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس» آمریکا انجام شد چیزی تحت عنوان ماده تاریک مشاهده نشد. با این حال این فرضیه هنوز در حال بررسی و آزمایش است.

واپاشی نوترون
تصویر ۴: واپاشی نوترون

آیا ماده تاریک واقعاً وجود دارد؟

با در نظر گرفتن دشواری‌هایی که دانشمندان برای شناسایی و توضیح ماده تاریک با آن روبه‌رو بوده‌اند پرسشی اساسی مطرح می‌شود: آیا امکان دارد دچار اشتباه شده باشیم؟ سال‌هاست که تعداد کمی از فیزیکدان‌ها اعلام می‌کنند که شاید نظریه‌های ما درباره گرانش نادرست هستند و این نیروی بنیادی طبیعت در مقیاس بزرگ متفاوت از انتظارات ما رفتار می‌کند.

در نظریه‌های جایگزین با عنوان «دینامیک نیوتنی اصلاح شده» یا به اختصار MOND، ادعا می‌شود هیچ ماده تاریکی وجود ندارد و سرعت‌های بسیار بالایی که برای چرخش ستارگان و کهکشان‌ها به دور یکدیگر مشاهده می‌شود، نتیجه رفتارهای غافلگیرکننده گرانش است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

محمود حاج ‌زمان (+)

«محمود حاج‌زمان»، متولد ۱۳۶۲ در تهران است. رشته‌ تحصیلی او مهندسی عمران است و تحصیلاتش را تا مقطع دکترا در دانشگاه صنعتی شریف گذرانده است. او از سال ۱۳۸۸ به‌طور حرفه‌ای وارد دنیای روزنامه‌نگاری علم شد و فعالیتش را با آغاز دور جدید انتشار مجله‌ دانستنیها پیوند زد. حاج‌زمان، علاوه بر نویسندگی برای مجله‌ دانستنیها و صفحات علمی خبرگزاری‌ها، کتاب‌های متنوعی را در حوزه‌ ترویج علم ترجمه و تألیف کرده است که از میان آن‌ها می‌توان مجموعه‌ سه‌جلدی به من بگو چرا (انتشارات علمی‌فرهنگی)، دایره‌المعارف مصور بدن شگفت‌انگیز ما (نشر سایان)، دانشنامه‌ دانستنیها (نشر شهر) و چندین جلد از مجموعه کتاب‌های در چند دقیقه (نشر شهر) را نام برد.

بر اساس رای 6 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

2 نظر در “پرسش های بی پاسخ درباره ماده تاریک

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *