تاریخچه ماده تاریک و بررسی آن (بخش اول)

در طی دهه‌های گذشته، جستجو برای یافتن یک ذره‌ از نوع ماده‌ی تاریک از طریق بسیاری از راه حل‌ها و رهیافت‌های مختلف مورد سنجش و امتحان قرار گرفته است؛ اما تا کنون، بشریت نتوانسته است تا به یک پاسخ روشن برای این پرسش اساسی برسد. آیا ماده‌ی تاریک یک نوترینو است؟ یا اینکه ماده‌ی تاریک آگزیون محسوب می‌شود؟ آیا این امکان وجود دارد که ماده‌ی تاریک به طور کلی ساخته و پرداخته‌ی تخیل ما باشد؟ دانشمندان چنین احتمالی را قبول ندارند و با این حال، آزمایش‌های XENON و ADMX همچنان برای اینکه ما را به یک پاسخ قانع‌کننده برسانند، ادامه دارند. جیمز بولاک (James Bullock)، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه UC ایروین، در این باره چنین باور دارد:

 ما باید درباره‌ی آنچه که ماده‌ی تاریک می‌تواند باشد، بسیار انعطاف‌پذیر باشیم. ماده‌ی تاریک می‌تواند حتی جالب‌تر از آن چیزی باشد که ما ۲۰ یا ۳۰ سال پیش در مورد ماهیت آن می‌پنداشتیم.

تجزیه و تفکیک ابهامی که امروزه مفهوم و ماهیت ماده‌ی تاریک را احاطه کرده است، بسیار دشوار به نظر می‌رسد. برخی از عناوین نوشته‌های جدید حکایت از این دارند که ماده‌ی تاریک ممکن است حتی اصلا وجود نداشته باشد و گاهی نیز کار تا آنجا پیش می‌رود که از طرفداران سرسخت این ماده خواسته می‌شود تا به مرحله‌ی نخستی که دانشمندان به ایده‌ی وجود چنین ماده‌ای رسیده‌اند، رجوع کنند.

ماده تاریک انرژی تاریک

بنابراین برای درک بهتر جایگاه ماده‌ی تاریک در جهان هستی، شاید بهتر باشد که نگاهی به این موضوع داشته باشیم که ایده‌های ما در مورد این ماده‌ی اسرارآمیز به چه شکلی در ابتدا آغاز شده و چگونه در طول زمان تکامل یافته است، در اینجا زمان آن رسیده است که سفری را در تاریخ پرماجرا و ثقیل ماده‌ی تاریک شروع کنیم.

در یک بررسی که اخیرا توسط جانفرانکو برتون (Gianfranco Bertone) و دن هوپر (Dan Hooper) انجام شده، اولین ارجاع به ماده‌ی تاریک تنها در عصر علم مدرن اتفاق افتاده است. در اواخر قرن ۱۹، تصاویر جدید از زمینه‌ی در حال شکوفایی عکاسی نجومی، مناطق تیره‌ی بسیاری را در آسمان نشان داد. به نظر نمی‌رسید که ستاره‌ها در آن تصاویر به طور مساوی توزیع شده باشند و دانشمندان از این موضوع در تعجب بودند که آیا علت چنین توزیع نامتوازنی می‌تواند ناشی از نبودن ستاره‌ها در مناطق تاریک باشد یا اینکه نوعی ماده با خاصیت جذب‌کنندگی وجود دارد که مانع مشاهده‌ی ستارگان از سوی ما می‌شود.

لرد کلوین، فیزیکدان اسکاتلندی-ایرلندی، یکی از اولین دانشمندانی بود که اقدام به برآورد تعداد اجرام تاریک در کهکشان راه شیری کرد. او برای این کار از تخمین‌های به دست آمده از پراکندگی سرعت ستاره‌ها و اینکه هر یک از آن‌ها با چه سرعتی پیرامون هسته‌ی کهکشان در حال چرخش بودند، استفاده کرد. اطلاعات موجود در مورد سرعت این ستاره‌ها به او این امکان را داد تا جرم کهکشان را تخمین بزند. بعد از محاسبه، مشخص شد که بین جرم موجود و ستاره‌هایی که ما می‌توانیم ببینیم، تفاوت وجود دارد. وی در یکی از سخنرانی‌های خود را در بالتیمور درباره‌ی دینامیک مولکولی و نظریه‌ی موج نور، نتیجه گرفت که:

ممکن است بسیاری از ستاره‌های ما و شاید اکثریت بزرگی از آن‌ها، به صورت جرم تاریک باشند.

آنری پوانکاره (Henri Poincaré)، ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی، در سال ۱۹۰۶ در کار خود با عنوان «کهکشان راه شیری و تئوری گازها» به ایده‌های لرد کلوین با استفاده از اصطلاح «ماده تاریک» یا (matière obscure) در متن فرانسوی اصلی، پاسخ داد. اگرچه ایده‌های لرد کلوین او را تحت تاثیر قرار داده بود؛ اما پوانکاره با نتیجه‌گیری وی مخالف بود. پوانکاره نوشت که:

از آنجایی که تعداد به دست آمده توسط او (کلوین) با تعدادی که تلسکوپ به دست می‌دهد، قابل مقایسه است، پس می‌توان نتیجه گرفت که هیچ ماده‌ی تاریکی وجود ندارد؛ یا حداقل اینکه مقدار آن به اندازه‌ی مواد معمولی نیست.

 پوانکاره مقاله‌ی خود را با یک اشاره‌ی نامطمئن به اتمام رساند. فیزیکدانانی که در آن زمان یک فهم نادرست از منبع تامین‌کننده‌ی انرژی ستارگان در ذهن داشتند، تخمین زدند که آن‌ها فقط می‌توانند از حدود «پنجاه میلیون سال» پیش از اینکه بمیرند، وجود داشته باشند. با توجه به کوتاهی نسبی طول عمر خورشید در مقیاس زمانی کیهانی، آیا ما نمی‌توانیم انتظار داشته باشیم که مقدار بیشتری از ماده‌ی تاریک به شکل ستاره‌های مرده وجود داشته باشد؟ او این سوال را مطرح کرد و آن را بدون پاسخ گذاشت. 

آنری پوانکاره

آنری پوانکاره

موردی که باید به آن توجه کنیم و درک آن هم ساده به نظر می‌رسد، این است که ماده‌ی تاریک به معنای واقعی کلمه در این دوره‌ها به مفهوم ماده‌ی تاریک بوده است؛ یعنی مناطقی در آسمان که نور ندارند و از این رو دانشمندان چنین ارزیابی می‌کردند که آن نواحی ممکن است به صورت اجرام تاریک باشند. اما کار به همینجا محدود نشده است و بهتر است در ادامه‌ی گزارش همراه ما باشید. چندی پس از مراحلی که به آن‌ها اشاره کردیم، دانشمندان به تغییرات و دگرگونی‌های بنیادینی در درکشان از ماده‌ی تاریک رسیدند.

اطلاعات منجر به ایجاد پرسش‌های جدید می‌شوند 

فریتز زوئیکی

فریتز زوئیکی

اولین شواهد عمده‌ای که بر پایه‌ی آن‌ها گفته شد که ماده‌ی تاریک در واقع ممکن است بسیار متداول‌تر از آن چیزی باشد که قبلا تصور می‌شود، از کار ستاره‌شناس سوئیسی‌آمریکایی، فریتز زوئیکی به دست آمد. او پس از مطالعه‌ی خوشه‌ی کهکشانی کُما، بر این امر تاکید کرد که خوشه‌ی یادشده فاقد ماده‌ی مرئی کافی برای نگه داشتن خود در حالت پایدار است. در حالی که ۸۰۰ کهکشان مورد مطالعه‌ی او باید دارای سرعت پراکندگی به میزان ۸۰ کیلومتربرثانیه می‌بودند، او متوجه شد که مقدار واقعی موجود برای کمیت فوق نزدیک به ۱۰۰۰ کیلومتربرثانیه بود. این بدان معنی است که روند حرکت ستاره‌ها چنان سریع بود که آن ستاره‌ها باید از کشش گرانشی متقابلشان می‌گریخته‌اند.

واقعیتی که آن‌ها به آن اذعان نکرده‌اند، این است که جرم این کهکشان‌ها بیشتر از آن مقداری است که بتوانیم آن را تنها با استفاده از ماده‌ی مرئی موجود در آن‌ها توجیه کنیم. زوئیکی در مقاله‌ای در سال ۱۹۹۳ چنین نوشت:

اگر این امر تایید شود، ما در ادامه به یک نتیجه‌ی شگفت‌انگیز خواهیم رسید؛ مبنی بر اینکه ماده‌ی تاریک در مقادیری بسیار بیشتر از مقدار ماده‌ی مرئی وجود دارد.

جرم اضافی مطرح شده در نظریه‌ی ماده‌ی تاریک می‌تواند به ما در تشریح و توضیح اینکه خوشه‌ی کهکشانی به چه شکلی می‌تواند اجزای خودش را در حالت پایدار و از طریق جذب گرانشی در کنار هم نگه‌ دارد، کمک کند.

محاسبات بعد نشان داد که برآورد زوئیکی از نسبت جرم به نور بیش از حد بزرگ بوده است، این مقدار در آن محاسبات حدود ۸ تعیین شده بود؛ به این معنا که ارزیابی‌های صورت گرفته برای مقدار ماده‌ی تاریک بیش از حد بالا بودند. کارهای انجام شده توسط زوئیکی تا همین امروز هم مورد توجه است. کارهای او در واقع مسیر ما برای رسیدن به این برداشت را فراهم کردند که بیشتر جرم خوشه‌های کهکشانی در واقع به شکل اتم‌ها نیستند.

زوئیکی نیز مانند دانشمندان دیگری که قبل از وی در این باره کار کرده بودند، هنوز هم بر این باور بود که ماده‌ی تاریک از موادی مانند ستارگان سرد، دیگر اجسام جامد و گازها تشکیل شده باشد. تا به امروز، جامعه‌ی علمی به هیچ نوع شواهد قانع‌کننده مبنی بر اینکه جرم مفقوده‌ی محاسبات ما می‌تواند چیز دیگری به جز حدس‌های یاد شده باشد، دست نیافته است.

منحنی‌های دوارنی کهکشانی منجر به حدس‌های جدید شدند

منحنی چرخش کهکشانی

هنگامی که کیهان‌شناسی به عنوان یک علم در دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی به شکوفایی رسید، ورا رابین (Vera Rubin)، ستاره‌شناس آمریکایی موردی نامعمول را در مورد منحنی چرخش کهکشان‌ها کشف کرد. روبین برای این کار از طیف‌نگار لوله‌ای تصویری استفاده کرده بود. این طیف‌نگار توسط همکار ستاره‌شناس او، کنت فورد (Kent Ford) به منظور مشاهده‌ی کهکشان‌های مارپیچی (spiral galaxies) توسعه یافته بود. از آنجا که کهکشان‌های مارپیچی دارای ستاره‌های بسیاری به صورت خوشه‌وار در نزدیکی‌ هسته خود هستند، دانشمندان چنین در نظر گرفتند که عمده‌ی جرم و گرانش نیز در این کهکشان‌ها در نزدیکی مرکز متمرکز می‌شود.

با نگاه به منحنی چرخش ستاره‌ها در کهکشان (نمودارهایی از سرعت ستاره در مقابل فاصله‌ی آن از مرکز کهکشان)، ستاره‌شناسان می‌توانند توزیع جرم موجود در کهکشان را تعیین کنند. به طور معمول، ستاره‌هایی که  دورتر از مرکز قرار دارند، باید دارای سرعت حرکت آهسته‌تر از ستارگانی باشند که در نزدیکی مرکز هستند. برای درک بهتر می‌توانیم به سیاره‌ی نپتون اشاره کنیم که حرکت آهسته‌تر به دور خورشید در قیاس با عطارد دارد. در اغلب منحنی‌های چرخش، خط نمودار در ابتدا با مقدار زیاد شروع می‌شود و سپس با حرکت به سمت راست روی نمودار مقدار آن کاهش می‌یابد که این در واقع هم‌ارز با دورتر شدن از مرکز کهکشان است. چنین روندی با این نکته که اغلب جرم موجود در مرکز سیستم متمرکز می‌شوند، سازگار است.

ورا رابین

ورا رابین

اما رابین در کهکشان‌های مارپیچی که مورد مطالعه قرار داده بود، به مورد متفاوتی پی برد. به جای اینکه این کهکشان‌ها دارای شیب نزولی باشند، چنین به نظر می‌رسید که منحنی‌های چرخش آن‌ها به نوعی در حال هم‌تراز شدن هستند. چنین حالتی بدان معنا بود که ستاره‌ها در مناطق دورتر و بیرونی‌تر این کهکشان‌های مارپیچی، با همان سرعتی در حال حرکت بودند که ستارگان واقع در نزدیکی مرکز کهکشان دارند. جرم توده‌ی مشاهده شده از کهکشان دارای گرانش کافی برای نگاه داشتن این ستاره‌ها در نزدیکی مرکز کهکشان نبود. به عنوان یک نتیجه، روبین به این برداشت رسید که چنین کهکشان‌هایی دارای مقدار ماده‌ی تاریکی به میزان ده برابر بیشتر از ماده‌ی مرئی هستند و همین ماده باعث می‌شود تا اجزای کهکشان به صورت یکپارچه کنار هم بمانند. در طول این دوره از دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی، دانشمندان دیگری نیز با وجود برخی شک و تردیدهای اولیه، یافته‌‌های فوق را مورد تایید قرار دادند. به باور آن‌ها یک هاله‌ی بزرگ از ماده‌ی تاریک هر یک از کهکشان‌ها را احاطه کرده بود.

با استفاده از دستاوردهای آن دوران، چنین به نظر می‌رسید که محققان در نهایت به شواهدی دست یافته‌اند که بر مبنای آن‌ها می‌توان با قطعیت گفت، جهان ما تنها از ماده‌ی مرئی تشکیل نشده است. این کشف باعث شد تا یک تغییر تدریجی در چگونگی برداشت و تصور دانشمندان از ماده‌ی تاریک به وجود بیاید. دیگر تنها ستاره‌های سرد و اجسام جامد را به عنوان بخش اصلی از ساختار کیهان در نظر نمی‌گرفتند؛ بلکه ماده‌ی تاریک به عنوان ماده‌ای پنداشته می‌شد که اکثریت جهان مشاهده شده‌ی ما از آن ساخته شده است. با این تغییر نگرش بود که یک بازیگر جدید در صحنه‌ی علم و فیزیک نجومی پا به عرصه نهاد: فیزیک ذرات…

ادامه دارد

پاسخ دهید

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

*