11 پرسش بی پاسخ در خصوص ماده تاریک - سفر به روسیه

به گزارش خبرنگاران و به نقل ازلایو ساینس، ماده تاریک(Dark Matter) نوعی از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان شناسی ارائه شده است تا پدیده هایی را شرح دهد که به نظر می رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است. ماده تاریک به طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست، معیناً ماده تاریک، نور یا سایر امواج الکترومغناطیسی را به میزان قابل توجهی جذب یا منتشر نمی نماید. به بیان دیگر ماده تاریک به سادگی ماده ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی دهد. در عوض وجود و ویژگی های ماده تاریک را می توان به طور غیرمستقیم و به وسیله تأثیرات گرانشی اش بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت.

طبق داده های تیم ماموریت پلانک در سال 2013 و بر پایه مدل استاندارد کیهان شناسی، کل جرم-انرژی موجود در جهان شناخته شده شامل 4.9 درصد ماده معمولی، 26.8 درصد ماده تاریک و 68.3 درصد انرژی تاریک تشکیل شده است.

اخترفیزیک دانان فرضیه ماده تاریک را مطرح نمودند تا اختلاف میان جرم محاسبه شده برای اجرام غول پیکر آسمانی توسط دو روش استفاده از تأثیرات گرانشی آنها یا استفاده از مواد درخشان درون آن ها(ستارگان، گاز و غبار) را شرح دهند. این فرضیه نخستین بار توسط یان اورت در سال 1932 برای شرح سرعت های مداری ستارگان در کهکشان راه شیری و توسط فریتز زوییکی در سال 1933 برای شرح شواهد مربوط به جرم گمشده در سرعت های مداری کهکشان ها در خوشه های کهکشانی مطرح گشت. در پی آن بسیاری از مشاهدات دیگر نیز مطرح گشت که دلالت بر وجود ماده تاریک در جهان داشتند. از جمله این مشاهدات می توان به مشاهده سرعت های چرخشی کهکشان ها توسط ورا روبین در دهه های 1960-1970، همگرایی گرانشی اجسام پس زمینه توسط خوشه های کهکشانی همچون خوشه گلوله، الگوهای ناهمسانگردی دما در تابش زمینه کیهانی اشاره کرد.

کیهان شناسان توافق نظر دارند که ماده تاریک عمدتاً از نوعی ذره زیراتمی ناشناخته تشکیل شده است. جستجو برای یافتن این ذره با استفاده از وسایل گوناگون یکی از کوشش های اصلی فیزیک ذرات بنیادی است.

اگرچه وجود ماده تاریک به طور عمومی توسط جامعه علمی مورد پذیرش قرار گرفته است، اما نظریه های جایگزینی نیز برای گرانش ارائه شده اند. مثلاً می توان به دینامیک نیوتنی اصلاح شده(MOND) اشاره کرد که سعی در شرح این مشاهدات غیرمعمولی بدون احتیاج به معرفی جرم اضافی را دارند.

شبکه ماده تاریک

در دهه 1930 یک ستاره شناس سوئیسی به نام فریتز زوییکی متوجه شد کهکشان ها در یک خوشه دوردست خیلی سریع تر از آنچه که مقدار جرم قابل مشاهده آنها باید اجازه دهد، به دور یکدیگر می چرخند. وی این فرضیه را عنوان نمود که یک ماده غیبی که او نام آن را ماده تاریک گذاشت، روی این کهکشان ها تاثیر می گذارد.

از آن موقع، محققان تأیید کردند که این ماده مرموز را می توان در کیهان یافت و اینکه مقدار آن شش برابر بیشتر از ماده معمولی در جهان است که چیزهای معمولی مانند ستاره ها و انسان را تشکیل می دهد.

با وجود این که ماده تاریک در سراسر جهان مشاهده می گردد، دانشمندان هنوز به شناخت چندانی از آن دست نیافته اند و یک موضوع ناشناخته باقی مانده است.

در اینجا 11 مورد از بزرگترین سوالات بی پاسخ در خصوص ماده تاریک آورده شده است:

1. ماده تاریک چیست؟

به طرز حیرت انگیزی دانشمندان نسبت به ماده تاریک دقیقاً مطمئن نیستند. در ابتدا برخی دانشمندان حدس می زدند که جرم گمشده در جهان از ستاره های کوچک در حال ناپدید شدن و سیاه چاله ها ساخته شده است، هرچند که مشاهدات مفصل نتوانست به اندازه کافی مدرک برای اثبات این ادعا جمع کند.

فرضیه اصلی ماده تاریک در حال حاضر، ذره ای فرضی به نام WIMP است که مانند نوترون رفتار می نماید، با این تفاوت که بین 10 تا 100 برابر سنگین تر از پروتون است. با این حال، این فرضیه هم فقط به پیدایش سوالات بیشتری منجر شده است. به عنوان مثال:

2. آیا می توانیم ماده تاریک را تشخیص دهیم؟

اگر ماده تاریک از WIMPها ساخته شده باشد، آنها باید در اطراف ما باشند، منتها نامرئی و به سختی قابل ردیابی، پس چرا ما هنوز آن را پیدا ننموده ایم؟ در حالی که آنها خیلی با ماده معمولی در تعامل نیستند، همواره احتمال کمی وجود دارد که یک ذره ماده تاریک بتواند هنگام عبور از فضا به یک ذره عادی مانند پروتون یا الکترون برخورد کند.

بنابراین محققان یک آزمایش را برای مطالعه تعداد زیادی از ذرات معمولی در اعماق زمین، جایی که از تابش تداخلی محافظت می شوند و می تواند برخورد ذرات ماده تاریک را شبیه سازی کند، طراحی کردند. اما مشکل این است که پس از چندین دهه جستجو، هیچ یک از این آشکارسازها کشف موثقی نداشته اند.

آزمایش چینی PandaX در اوایل امسال جدیدترین عدم شناسایی WIMP را گزارش کرد. به گفته فیزیکدان های دانشگاه کالیفرنیا ریورساید، به نظر می رسد ذرات ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMP هستند یا فاقد خواصی هستند که باعث گردد مطالعه آنها آسان گردد.

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

ماده معمولی از ذرات روزمره مانند پروتون و الکترون و همچنین یک ترکیب کامل از ذرات عجیب و غریب مانند نوترینوها، میون ها و پیون ها تشکیل شده است. بنابراین برخی محققان می گویند ماده تاریک که 85 درصد از ماده در جهان را تشکیل می دهد نیز می تواند به همین اندازه پیچیده باشد.

آندری کاتز فیزیکدان دانشگاه هاروارد می گوید: دلیل خوبی وجود ندارد که تصور کنیم تمام ماده تاریک در جهان از یک نوع ذره ساخته شده است. پروتون های تاریک می توانند با الکترون های تاریک ترکیب شوند تا اتم های تاریک شکل بگیرند و به گونه ای متنوع و جالب به نظر برسند که در جهانی قابل مشاهده وجود دارد.

در حالی که چنین آزمایش هایی به طور فزاینده ای در آزمایشگاه های فیزیک در سراسر جهان انجام می گردد، اما تاکنون دانشمندان راهی برای تأیید یک فرضیه پیدا ننموده اند.

4. آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

در کنار ذرات اضافی ماده تاریک، این احتمال وجود دارد که ماده تاریک نیروهایی مشابه آنچه را که توسط ماده معمولی احساس می گردد، تجربه کند. برخی از محققان فوتون های تاریک را جستجو نموده اند که می تواند مانند فوتون های تبادل شده بین ذرات عادی که باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی می شوند، عمل کند.

فیزیکدانان می گویند اگر فوتون های تاریک وجود داشته باشند، جفت های الکترون-پوزیترون می توانند یکی از ذرات عجیب و غریب حامل نیرو را نابود و فراوری نمایند. این اتفاق به طور بالقوه می تواند یک بخش کاملاً جدید از جهان را به روی ما باز کند.

5. آیا ماده تاریک از اکسیون ها ساخته شده است؟

از آنجا که فیزیکدانان به طور فزاینده ای در حال عقب نشینی از فرضیه WIMPها هستند، دیگر ذرات ماده تاریک شروع به جلب علاقه نموده اند. یکی از جایگزین های پیشرو، ذره ای فرضی است که به نام اکسیون(axion) شناخته می گردد. بسیار سبک است.

در حال حاضر اکسیون ها در چند آزمایش مورد جستجو هستند. شبیه سازی های رایانه ای اخیر این احتمال را تقویت نموده است که این ذرات می توانند اشیایی شبیه به ستاره را تشکیل دهند و ممکن است تشعشعات قابل ردیابی فراوری کند که کاملاً شبیه پدیده های اسرارآمیز معروف به انفجارهای رادیویی سریع باشد.

6. خواص ماده تاریک چیست؟

اخترشناسان ماده تاریک را به وسیله تعامل گرانشی آن با ماده عادی کشف کردند و اظهار داشتند که این اصلی ترین روش برای اثبات حضور آن در جهان است.

محققان در کوششند تا ماهیت واقعی ماده تاریک را درک نمایند، اما چیزهای قابل توجهی برای ادامه کار ندارند. طبق برخی از فرضیه ها، ذرات ماده تاریک باید دارای ضد ذرات خاص خود باشند، به این معنی که دو ذره ماده تاریک هنگام رسیدن به هم، یکدیگر را خنثی می نمایند.

آزمایش طیف سنج مغناطیسی آلفا(AMS) در ایستگاه فضایی بین المللی از سال 2011 به دنبال نشانه های این رفتار خنثی سازی است و تاکنون صدها هزار واقعه را کشف نموده است. دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که اینها از ماده تاریک ناشی می شوند.

7. آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد؟

از آنجا که این ماده از ماده معمولی بسیار سنگین تر است، غالباً گفته می گردد ماده تاریک یک نیروی کنترلی است که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را سامان می دهد. بنابراین عجیب بود که در اوایل امسال اخترشناسان خاطرنشان کردند که یک کهکشان به نام NGC 1052-DF2 را پیدا نموده اند که به نظر می رسد به هیچ وجه ماده تاریک ندارد.

پیتر ون دوکوم از دانشگاه ییل در آن موقع گفت: ماده تاریک ظاهراً الزامی برای تشکیل یک کهکشان نیست.

با این حال یک تیم جداگانه در تابستان با انجام یک تجزیه و تحلیل خاطرنشان کرد که تیم تحقیقاتی ون دوکوم فاصله با کهکشان را به درستی اندازه گیری ننموده است. بدین معنی که ماده قابل رویت آن بسیار کم نور و سبک تر از یافته های این تیم بوده و بیشتر توده های آن در ماده تاریک بوده است. بنابراین این کهکشان هم ماده تاریک دارد.

8. پس نتایج آزمایشات DAMA / LIBRA چه می گویند؟

یک راز دیرینه در فیزیک ذرات نتایج گیج نماینده یک آزمایش اروپایی است که به DAMA / LIBRA معروف است. این شناساگر که در یک معدن زیرزمینی در زیر کوه Gran Sasso در ایتالیا واقع شده است، در جستجوی نوسانات دوره ای در ذرات ماده تاریک است. این نوسانات باید با توجه به گردش زمین به دور خورشید و حرکت در منظومه شمسی و کهکشان راه شیری که با ماده تاریک احاطه شده است که گاهی اوقات باد ماده تاریک نامیده می گردد، به وجود آید.

آزمایش DAMA / LIBRA از سال 1997 ادعا کرد که دقیقاً این سیگنال را می بیند، اگرچه هیچ آزمایش دیگری چیزی شبیه به این ندیده است.

9. آیا ماده تاریک می تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

یک سیگنال از شروع پیدایش این بحث باعث شده است که برخی فیزیکدانان تصور نمایند ماده تاریک ممکن است بار الکتریکی داشته باشد. زیرا تابشی با طول موج 21 سانتی متر از نخستین دوره رشد جهان یعنی 180 میلیون سال پس از بیگ بنگ منتشر شده است. سپس توسط هیدروژن سرد که در آن موقع وجود داشته، جذب شده است. هنگامی که این تابش در فوریه امسال شناسایی شد، معین شد که هیدروژن بسیار سردتر از آنچه دانشمندان پیش بینی می کردند، بوده است.

جولیان مونوز اخترفیزیک دان دانشگاه هاروارد این فرضیه را عنوان نمود که ماده تاریک با یک بار الکتریکی می تواند گرما را مثل مکعب های یخی که در لیموناد شناور هستند، از هیدروژن رانده باشد. اما این فرضیه هنوز تأیید نشده است.

10. آیا ذرات معمولی می توانند در ماده تاریک محو شوند؟

نوترون ها ذرات ماده معمولی با طول عمر محدود هستند. بعد از گذشت حدود 14.5 دقیقه، یک نوترون تنها که از اتم جدا می گردد، در یک پروتون، الکترون و نوترینو محو می گردد. اما آزمایشات طراحی شده برای شبیه سازی این شرایط برای ماده تاریک قادر به تشخیص چیزی نبودند. البته دانشمندان می گویند این سناریو به شکل دیگری ممکن است هنوز امکانپذیر باشد.

11. آیا واقعاً ماده تاریک وجود دارد؟

با توجه به دشواری هایی که دانشمندان برای کشف و شرح ماده تاریک با آن روبرو هستند، ممکن است برخی که منطقی فکر می نمایند، سوال نمایند که شاید دانشمندان راه را اشتباه رفته اند و اصلا ماده تاریکی وجود ندارد.

سالهاست که برخی از فیزیکدانان این عقیده را مطرح می نمایند که شاید نظریه های ما درباره گرانش نادرست باشند و نیروی بنیادی در مقیاس های عظیم متفاوت از آنچه که ما انتظار داریم، عمل می نماید.