یازده سوال بی جواب در مورد ماده تاریک

• توسط : محبوبه خاوری
• در : ۱۳۹۹-۰۲-۲۸
• در : طبیعت هوا و فضا

در دهه ۱۹۳۰، یک ستاره شناس سوئیسی به نام فریتز زوییکی Fritz Zwicky متوجه شد کهکشان های موجود در یک خوشه دوردست خیلی سریعتر از آنچه که حجم قابل مشاهده آن به آن اجازه حرکت می دهد در حال چرخش است. زوییکی این نظریه را مطرح کرد که که یک ماده پنهان و مخفی که او آن را ماده تاریک Dark Matter نامید روی این کهکشان ها اثر جاذبه ای دارد. با ما باشید تا ببینیم ماده تاریک چیست و با تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک و بسیاری از مواردی که لازم است در خصوص ماده تاریک لازم است بدانیم آشنا شویم.

از آن زمان که فریتز زوییکی ماده تاریک را کشف کرد محققان تأیید كردند كه این ماده مرموز را می توان در كیهان یافت. ماده تاریک شش برابر بیشتر از ماده عادی است كه چیزهای عادی مانند ستاره ها و سیاره ها و انسان ها و هر آن چه که پیرامون خود می بینید را تشکیل می دهد. بیایید با یازده سوال بی جواب در مورد ماده تاریک آشنا شویم.

ماده تاریک چیست؟

ما همان قدر که از وجود ماده تاریک مطمئنیم به صورت غیر قابل انکار و البته حیرت انگیزی نسبت به وجود آن اطمینان نداریم! و ماده تاریک را بر اساس چیزی که نیست (و نه چیزی که هست) می شناسیم. در ابتدا، برخی دانشمندان حدس می زدند كه جرم گمشده در جهان از ستاره های كوچك و سیاهچاله ها ساخته شده است اما خب مشاهدات مفصل تقریباً به اندازه كافی چنین اشیاء را در نظر نگرفته اند تا تأثیر ماده تاریك را بر آن بسنجند.
نظریات معتقد و پیشرو در خصوص ماده تاریک این است که ماده تاریک از ذرات بر همکنش ضعیف (WIMP) تشکیل شده است. که مانند نوترون رفتار می کند مگر اینکه بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین تر از پروتون باشد. اما حدس های بیشتر در مورد این که ماده تاریک چیست سوالات بیشتری در خصوص آن ایجاد کرده است.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

تشخیص و آشکار سازی ماده تاریک

آیا می توانیم ماده تاریک را تشخیص دهیم؟ اگر ماده تاریک از WIMP ها ساخته شده باشد پس باید در اطراف ما هم باشد گرچه حضور آن در اطراف ما نامرئی است و به سختی می توان آن را ردیابی کرد اما باز با همه این ها این سوال پیش می آید که چرا ما هنوز آن را پیدا نکرده ایم؟

بیشتر بخوانید : آشنایی با چهار نیروی بنیادی طبیعت

در پاسخ باید گفت که ماهیت ماده تاریک با ماهیت ماده معمولی (ماده که همه آن چه که در پیرامون ما از آن ساخته شده) متفاوت است. ماده تاریک با ماده معمولی تعامل زیادی ندارد و احتمال بسیار کمی وجود دارد که مقدار بسیار کمی از آن بتواند هنگام عبور از فضا به یک ذره عادی مانند پروتون یا الکترون برخورد کند. تحقیقات گسترده و پیوسته ای روی تعداد زیادی از ذرات معمولی در اعماق زیر زمین (که از تابش تداخلی محافظت می شوند و می توانند از برخورد ذرات ماده تاریک مصون بمانند) صورت گرفت که هیچ کدام نتوانست این موضوع را روشن نماید. جدیدترین آزمایشی که توسط Chinese PandaX در اوایل سال ۲۰۲۰ صورت گرفت تشکیل ماده تاریک از WIMP را رد کرد و نشان داده که ذرات ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMP هستند یا فاقد خصوصیاتی هستند که باعث می شود مطالعه آن برای ما به اندازه معمولی آسان شود.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

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

ماده معمولی از ذراتی چون پروتون و الکترون و همچنین انبوهی از ذرات عجیب و غریب تر مانند نوترینوها، میون ها و پیون ها تشکیل شده است. این موضوع باعث شده است که برای برخی از محققان این سوال پیش بیایید که آیا ماده تاریك، كه ۸۵ درصد ماده در جهان را تشکیل می دهد نیز می تواند به همین اندازه پیچیده باشد. آندری کاتز Andrey Katz، فیزیکدان دانشگاه هاروارد در این باره گفته است: “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 این ترکیب به گونه ای باشد که برای هیچ کسی در دنیا در قابل مشاهده نباشد. فیزیک دانان زیادی تلاش کرده اند که دیدن آن را در در طی آزمایش های مختلف در آزمایشگاه ها میسر کنند اما تاکنون چنین امری محقق نشده است.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

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 شود تجربه کند. برخی از محققان تحقیقاتی را در خصوص “فوتون های تاریک” انجام داده اند که می تواند مانند فوتون های تبادل شده بین ذرات عادی باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی شوند، بجز اینکه فقط توسط ذرات ماده تاریک احساس می شوند.
فیزیکدانان ایتالیایی در تلاشند تا پرتو الکترون ها و ذرات آنها را که به پوزیترون ها معروف هستند از الماس عبور دهند؛ اگر فوتون های تاریک وجود داشته باشند، جفت های الکترون پوزیترون می توانند یکی از این ذرات حامل عجیب و غریب را منهدم کنند و به طور بالقوه یک بخش کاملاً جدید از جهان را به روی ما باز نمایند.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

آیا می توان ماده تاریک را از اکسیون ها ساخت؟

گرچه فیزیکدانان به طور فزاینده ای تمایل به  نظریه تشکیل ماده تاریک از WIMP می شوند اما کم کم توجه آن ها به سایر ذرات ماده تاریک نیز جلب می شود. یکی از جایگزین های محبوب برای WIMP ذره ای فرضی است که به عنوان یک اکسیون شناخته می شود و بسیار سبک است؛ شاید به مقدار ۱۰ که به قدرت ۳۱ برسد و نسبت به یک پروتون کم حجم باشد. اکسیون ها در چند آزمایش مورد بررسی قرار گرفتند و شبیه سازی های رایانه ای اخیر این احتمال را تقویت می کند که اکسیون ها می توانند اشیاء شبیه به ستاره را تشکیل دهند که ممکن است تشعشعات قابل ردیابی را تولید کند که کاملاً شبیه پدیده های اسرارآمیز معروف به انفجارهای رادیویی سریع باشد.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

خواص ماده تاریک چیست؟

اخترشناسان ماده تاریک را از طریق تعامل گرانشی آن با ماده عادی کشف کردند اما محققان هنوز در تلاش اند تا ماهیت واقعی ماده تاریک را درک کنند اما همچنان مدارک قابل توجهی برای ادامه کار ندارند. طبق برخی از تئوری ها، ذرات ماده تاریک باید جزء ذرات خاص خود باشند، به این معنی که هنگام رسیدن، دو ذره ماده تاریک با یکدیگر نابود می شوند. آزمایش طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه فضایی بین المللی از سال ۲۰۱۱ به دنبال نشانه های داستان این نابودی است و تاکنون صدها هزار واقعه مرتبط با آن را کشف کرده است اما بازهم دانشمندان مطمئن نیستند که اینها از ماده تاریک ناشی می شوند، و این سیگنال ها هنوز نیمی تواند به آن ها کمک کند دقیقاً ماده تاریک را مشخص کنند.

آیا ماده تاریک در همه کهکشان ها وجود دارد؟

از آنجا که این ماده تاریک از ماده عادی بسیار سبک تر است؛ لذا غالباً گفته می شود ماده تاریک نیرو کنترلی ای دارد که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را سامان می دهد. بر همین اساس خبری که در اوایل سال جاری (۲۰۲۰) منتشر شد و طی آن اخترشناسان اعلام کردند که یک کهکشان به نام NGC 1052-DF2 را پیدا کرده اند که به نظر می رسد به هیچ وجه حاوی ماده تاریک نیست؛ همه محققان علوم فضایی را شگفت زده کرد. پیتر ون دوکوم Pieter van Dokkum از دانشگاه ییل در همان زمان اظهار کرد که “ماده تاریک ظاهراً الزامی برای تشکیل یک کهکشان نیست”. اما خود دوکوم، یک تیم جداگانه تجزیه و تحلیل را مأمور کرد تا در این خصوص بیشتر تحقیق کنند و فاصله این کهشکشان را بررسی نمایند؛ این تیم تحقیقاتی کشف کرد که ماده قابل رویت این کهکشان بسیار کم نور و سبک تر از اولین مواردی است که در نخستین تحقیقات آن ثبت شد و مقدار ماده تاریکی که از کهکشان مزبور ثبت شد نیز بیشتر از نتایج ثبت شده اولیه تشیصخ داده شد.

بیشتر بخوانید : زمانی که آفریقا ، قاره سبز بود

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

نتایج DAMA / LIBRA

یک راز قدیمی در فیزیک ذرات نتایج گیج کننده یک آزمایش اروپایی است که به DAMA / LIBRA معروف است. این ردیاب – واقع در یک معدن زیرزمینی در زیر کوه Gran Sasso در ایتالیا – به دنبال نوسان دوره ای در ذرات ماده تاریک است. این نوسانات باید به وجود آید تا زمین بتواند در هنگام گردش در جریان کهکشانی ماده تاریک اطراف منظومه شمسی ما، که گاهی اوقات باد ماده تاریک نامیده می شود، در مدار خود به دور خورشید حرکت کند. از سال ۱۹۹۷، DAMA / LIBRA ادعا كرده است كه دقیقاً این سیگنال ها را می بیند اما هیچ آزمایش دیگری چیزی شبیه به آن را هنوز ثابت نکرده است.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

آیا ماده تاریک می تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

یکی از سوالات رایج دیگر در خصوص ماده تاریک این است که آیا ماده تاریک می تواند بار الکتریکی داشته باشد یا خیر. سیگنالی از آغاز زمان باعث شده است که برخی فیزیکدانان تصور کنند ماده تاریک ممکن است بار الکتریکی داشته باشد. ماجرا این است که تابشی به طول موج ۲۱ سانتی متر توسط ستاره ها در روز های ابتدایی و نوزادی جهان، فقط ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ (Big Bang) رخ داده است و سپس توسط هیدروژن سرد که در همان زمان وجود داشت جذب شده است. این تشعشع در فوریه سال جاری تشخیص داده شد. این تشعشعات حاکی از این است که هیدروژن بسیار سردتر از آنچه دانشمندان پیش بینی کرده اند بوده است. جولیان موزوز Julian Muñoz، اخترشناس فیزیکولوژی از دانشگاه هاروارد این طور مطرح کرد که ماده تاریک با بار الکتریکی می تواند گرما را از هیدروژن همه جانبه، مانند مکعب های یخی که در لیموناد شناور هستند، دور کند.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

آیا ذرات معمولی می توانند در ماده تاریک از بین بروند؟

نوترون ها ذرات ماده ی معمولی با طول عمر محدود هستند. بعد از گذشت حدود ۱۴٫۵ دقیقه، یک نوترون تنها که از یک اتم جدا شده است؛ درون یک پروتون، الکترون و نوتینو از بین می رود. با توجه به آزمایشات ذکر شده در یک تحقیق که درماه ژوئیه در ژورنال Physical Review Letters به چاپ رسید نشان داد که دو مجموعه آزمایشی مختلف که طول عمر آن ها کمی متفاوت از هم بود؛ زمان از بین رفتن متفاوتی داشتند و اختلاف بین آنها در حدود ۹ ثانیه بود. در اوایل سال جاری، فیزیکدانان اظهار داشتند که اگر با یک درصد احتمال، برخی نوترون ها در ذرات ماده تاریک از بین بروند و محو شوند آنگاه می توان ناهنجاری ها را بر اساس آن توجیه کرد.
کریستوفر موریس Christopher Morris از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، در نیومکزیکو و تیم وی نوترون ها را برای سیگنالی که از سوی ماده تاریک بود تحت نظر داشتند و برررسی های آن ها نشان داد که سناریو اضمحلال و محو شدن ذرات معمولی در ماده تاریک هنوز ممکن است قابل پذیرش باشد.

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

آیا واقعاً ماده تاریک وجود دارد؟

داستان مشهوری در فلسفه وجود دارد که می گوید” روزی استاد فلسفه ای تنها یک سوال در برگه امتحان برای دانشجویانش مطرح کرد؛ سوالی که اگر به آن پاسخ می دادند امتحان را قبول می شدند. این سوال این بود: “ثابت کنید صندلی ای که جلوی کلاس قرار داده ام وجود ندارد “. دانشجویان با توجه به آن چه که آموخته بودند شروع به نوشتن کردند و پیوسته می نوشتند و می نوشتند اما دانشجویی که کم تر از همه سر کلاس های استاد شرکت کرده بود بعد از کمی فکر چیزی را روی برگه امتحان نوشت و بعد در حالی که دانشجویان دیگر در دل به بی خیالی او می خندیدند و همچنان مشغول نوشتن بودند بلند شد و بعد از تحویل دادن برگه اش سالن امتحان را ترک کرد؛ چند روز بعد نتایج امتحان مشخص شد و تنها همان دانشجو که زدوتر از همه امتحان را ترک کرده بود نمره کامل گرفته بود! سایر دانشجویان به نشانه اعتراض به دیدار استاد رفتند و علت نتیجه غیر قابل باور امتحان را از او جویا شدند. استاد در پاسخ برگه دانشجویی که دوستانش به نمره او اعتراض داشتند را نشان داد که تنها یک جمله روی آن نوشته شده بود : کدام صندلی؟ ”

ماده تاریک چیست – تشخیص و آشکارسازی ماده تاریک

با توجه به مشکلاتی که دانشمندان برای کشف و تبیین ماده تاریک با آن روبرو بوده اند؛ ممکن است یک سوال کننده عاقل که از بیرون به مسئله نگاه می کند از خود سؤال کند که آیا این همه جدال درباره ماده تاریک درست است؟ آیا اصلاً ماده تاریکی وجود دارد؟ آیا همه دانشمندانی که در خصوص ماده تاریک به بحث و نظریه پردازی می پردازند اشتباه نمی کنند؟
سال هاست که برخی از فیزیکدانان این عقیده را مطرح می کنند که شاید نظریه های ما در مورد نیروی جاذبه (خیلی راحت) اشتباه باشند! و این که نیروی بنیادی ای متفاوت از مقیاس های مختلف از آنچه که انتظار داریم متفاوت است نیز اشتباه است و این پیشنهادات که اغلب به عنوان “دینامیک اصلاح شده نیوتنی” یا مدل های MOND شناخته می شود، بیانگر این است که هیچ ماده تاریکی وجود ندارد و سرعت های فوق سریع که در آن ستاره ها و کهکشان ها در حال چرخش در اطراف یکدیگر هستند، نتیجه رفتار گرانشی به روش های غافلگیرکننده است و نه چیز دیگر.
دون لینکلن Don Lincoln فیزیکدان در این باره می گوید: ” ماده تاریک موضوعی شبه انگیز است که هنوز اثبات نشده است و مدرکی برای اثبات آن در حال حاضر وجود ندارد!”