نوری بر تاریکی: مروری بر ۱۱ پرسش بی‌پاسخ پیرامون ماده تاریک

در دهه ۱۹۳۰، یک ستاره شناس سوئیسی به نام «فریتز زویکی» دریافت که کهکشان‌ها در یک خوشه دوردست خیلی سریع‌تر از آنچه که باید، با توجه به مقدار جرم قابل مشاهده، در حال چرخش در مدار یکدیگر بودند. او پیشنهاد کرد که یک ماده پنهان و ناشناخته، که زویکی آن را ماده تاریک نامید، ممکن است روی این کهکشان‌ها اثر گرانشی بگذارد و علت این موضوع باشد.

از آن زمان تا به امروز، محققان تأیید کردند که این ماده مرموز را می‌توان در سرتاسر کیهان پیدا کرد و اینکه مقدار آن شش برابر فراوان‌تر از مواد عادی کیهان است که ستاره‌ها و مردم را تشکیل می‌دهند . با وجود این که ماده‌ تاریک در سراسر جهان مشاهده می‌شود، دانشمندان هنوز با علامت‌های سوال زیادی مواجه هستند؛ در این مقاله 11 مورد از بزرگ‌ترین پرسش‌های بی پاسخ در مورد ماده‌ تاریک جمع‌آوری شده است.

ماده تاریک چیست؟

در ابتدا باید در کمال ناباوری بگوییم که حتی تا به امروز هم محققان نیز هنوز به طور قطع درباره ماهیت ماده تاریک مطمئن نیستند. در اصل، برخی دانشمندان حدس می‌زدند که این جرم گمشده در جهان از ستاره‌های کوچک و سیاهچاله‌ها ساخته شده است، اگرچه که مشاهدات دقیق و طولانی در این باره گواهی مبنی بر رابطه بین این اجرام و تاثیر ماده تاریک را نشان نداده‌اند.

همانطور که دان لینکلن فیزیکدان از Fermilab وزارت انرژی ایالات متحده قبلا برای Science Live نوشته است، هدایت کننده اصلی ماد‌ه تاریک، ذره ای فرضی به نام   Weakly Interacting Massage یا WIMP است که مانند نوترون رفتار می‌کند؛ اما بین 10 تا 100 برابر سنگین‌تر از پروتون است. البته این حدس لینکلن فقط موجب به وجود آمدن سوالات بیشتری شد. مثلا؟

آیا بشر می‌تواند ماده تاریک را شناسایی کند؟

اگر ماد‌ه تا‌ریک از WIMPها ساخته شده باشد؛ پس باید نامرئی و به غیر قابل شناسایی باشند اما در هر صورت آن‌ها باید در اطراف ما باشند. پس چرا بشر هنوز نتوانسته است آن‌ها را پیدا کند؟ در حالی که آن‌ها خیلی با مواد معمولی در حال برهمکنش نیستند، اما همیشه احتمال کمی وجود دارد که یک ذره از ماد‌ه تاریک بتواند هنگام عبور از فضا به یک ذره عادی مانند پروتون یا الکترون برخورد کند.

بنابراین، محققان به آزمایش‌های زیادی پرداخته اند که هدف آن‌ها بررسی تعداد زیادی از ذرات معمولی در اعماق زمین است، همان جایی که از تابش تداخلی محافظت می‌شوند که این موضوع می‌توانند از برخورد ذرات ماد‌ه تاریک محافظت کنند. اما در حال حاضر مشکل چیست؟ پس از چندین دهه جستجو، هیچ یک از این آشکارسازها نتیجه قابل اتکایی را به دست نیاورده‌اند.

در اوایل سال جاری، آزمایش چینی PandaX عدم ارتباط WIMP را گزارش کرد. فیزیکدان هایبویو از دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید، در آن زمان گفت که به نظر می‌رسد که اندازه ذرات ماده‌ تاریک بسیار کوچک‌تر از WIMP است، یا فاقد ویژگی‌هایی هستند که باعث آسان شدن مطالعه آن‌ها شود.

آیا ماده تاریک مجموعه‌ای از ذرات است؟

مواد معمولی از ذرات عادی مانند پروتون و الکترون و همچنین یک آشفته بازار عجیب و غریب که شامل ذراتی چون نوترینوها، میون‌ها و پیون‌ها می‌شود، تشکیل شده است. بنابراین، برخی محققان با این سوال مواجه شدند که آیا ممکن است ماد‌ه تار‌یک که 85 درصد جهان را تشکیل می‌دهد نیز به همین اندازه پیچیده باشد؟

آندری کاتز، فیزیکدان از دانشگاه هاروارد، به سایت Space.com گفت: «هیچ دلیل موجهی وجود ندارد که تصور کنیم تمام ماده‌ تار‌یک در جهان از یک نوع ذره ساخته شده است.» کاتز افزود، پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند تا اتم‌های تاریک شکل بگیرند و این‌ها به گونه‌ای حیرت‌آور در دنیای قابل مشاهده نباشند.

با این‌که چنین موضوعاتی از داغ‌ترین بحث‌های آزمایشگاه‌های فیزیکی است اما تاکنون دانشمندان راهی را برای کشف یا انکار آن نیافته‌اند.

آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

در کنار ذرات اضافی ماده تار‌یک، این احتمال وجود دارد که ماد‌ه تار‌یک نیروهایی مشابه آن‌چه را که در مواد معمولی مشاهده می‌شود را تجربه کند. برخی محققان «فوتون‌های تار‌یک» را کشف کرده‌اند، که می‌تواند مانند فوتون‌های تبادل شده بین ذرات عادی باشد که باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی می‌شوند، اما با این تفاوت که توسط ذرات ماده تاریک احساس می‌شوند.

فیزیکدانان در ایتالیا در حال تلاش و آماده‌سازی هستند تا پرتو الکترون‌ها و ذرات آن‌ها را که به عنوان پوزیترون شناخته می‌شوند را به داخل الماس هدایت کنند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت‌های الکترون-پوزیترون می‌توانند یکی از ذرات عجیب و غریب حامل نیرو را نابود و تولید کنند و به طور بالقوه می‌تواند یک بخش کاملاً جدید از جهان را پیش روی ما بگشایند.

آیا ماده تاریک می‌تواند از اکسیون‌ها تشکیل شده باشد؟

از آنجا که فیزیکدانان به طور فزاینده عشق‌ خود را نسبت به WIMP از دست می‌دهند، ذرات ماده تاریک شروع به جلب توجه می‌کنند. یکی از اصلی‌ترین جایگزین‌ها ذره‌ای فرضی است که با عنوان اکسیون شناخته می‌شود، این ذره بسیار سبک است و نسبت به یک پروتون از چگالی کمتری برخوردار است.

در حال حاضر اکسیون‌ها در چند آزمایش جستجو می‌شوند. شبیه سازی‌های رایانه‌ای اخیر این احتمال را ایجاد کرده است که این اکسیون‌ها می‌توانند اجرامی شبیه به یک ستاره را تشکیل بدهند که ممکن است تابش‌های قابل ردیابی تولید کند که کاملاً شبیه پدیده‌های معروف موسوم به انفجارهای رادیویی سریع باشد.

ویژگی‌های ماده تاریک چیست؟

اخترشناسان ماد‌ه تار‌یک را از طریق برهمکنش‌های گرانشی آن با ماده معمولی کشف کردند و اظهار داشتند که این اصلی‌ترین روش شناختن حضور چیزی در جهان است. اما محققان در تلاشند تا ماهیت واقعی ماد‌ه تا‌ریک را درک کنند، اما محققان مدارک قابل توجهی برای ادامه این کار ندارند.

طبق برخی از نظریات، ذرات ماد‌ه تا‌ریک باید جز ضد ذرات خود باشند، به این معنی که هنگام رسیدن به یکدیگر دو ذره ما‌ده تا‌ریک نابود می‌شوند. آزمایش طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه فضایی بین المللی از سال 2011 به دنبال نشانه‌های واضح از  این نابودی است و تاکنون صدها هزار واقعه را کشف کرده است. البته هنوز مشخص نشده است که آیا این ماده منشا ماده تاریک است یا خیر، در واقع این نشانه‌ها برای کشف ماهیت ماده تاریک به آن‌ها کمک نمی‌کند.

آیا ماده تاریک در همه کهکشان‌ها وجود دارند؟

از آنجا که این ماده از ماده معمولی فراتر رفته است  غالباً گفته می‌شود ما‌ده تاریک نیروی کنترل است که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را سامان می‌دهد. بنابراین عجیب بود که در اوایل سال جاری، اخترشناسان اعلام کردند که یک کهکشان به نام NGC 1052-DF2 را پیدا کرده‌اند که به نظر می‌رسد به هیچ وجه ماده تاریکی ندارد. پیتر ون دوکوم از دانشگاه ییل به سایت Space.com گفت: « ظاهراً ماد‌ه تا‌ریک برای تشکیل یک کهکشان الزامی نیست.»

با این حال، در طول تابستان، یک تیم جداگانه تحلیلی را ارسال کرد که نشان می‌داد تیم ون دوکوم فاصله با کهکشان را به طور اشتباه اندازه گیری کرده است. بدین معنی که ماده قابل مشاهده آن بسیار کم نور و سبک‌تر از اولین یافته‌ها است و ماده تاریک در بیشتر توده‌های آن بوده وجود داشته است.

چه به سر نتایج DAMA/LIBRA آمده است؟

یکی از اسرار دیرینه فیزیک ذرات در یک آزمایش اروپایی نهفته است که به DAMA / LIBRA معروف است. این ردیاب – که در یک معدن زیرزمینی در زیر کوه Gran Sasso در ایتالیا واقع شده است – در جستجوی نوسانات دوره‌ای در ذرات ما‌د‌ه تا‌ر‌یک بوده است.

این نوسانات زمانی باید به وجود بیاید که زمین هنگام گردش در جریان کهکشانی ماد‌ه تا‌ریک در اطراف منظومه شمسی -که گاهی اوقات ما‌ده تاریک نامیده می‌شود- در مداری خود به دور خورشید حرکت کند. از سال 1997، DAMA / LIBRA ادعا کرد که دقیقاً این سیگنال را می‌بیند، اگرچه هیچ آزمایش دیگری چیزی شبیه به این را گزارش نداده است.

آیا ماده تاریک می‌تواند حاوی بار الکتریکی باشد؟

یک سیگنال از ابتدا باعث شده است که برخی فیزیکدانان تصور کنند ما‌ده تار‌‌یک ممکن است بار الکتریکی داشته باشد. تابش طول موج 21 سانتی متر توسط ستاره‌ها در زمان بدو تولد جهان، تنها 180 میلیون سال پس از مه‌بانگ ساطع شده است و سپس توسط هیدروژن سرد که در همان زمان قرار داشت جذب شد. هنگامی که این اشعه در فوریه سال جاری تشخیص داده شد، امضای آن حاکی از آن است که هیدروژن بسیار سردتر از آنچه دانشمندان پیش بینی کرده بودند، بوده است.

اخترفیزیکدان جولیان موزوز از دانشگاه هاروارد این فرضیه را مطرح می‌کند که ما‌د‌ه تار‌یک با یک بار الکتریکی می‌تواند گرما را از هیدروژن فراگیر، نوعی مانند مکعب‌های یخ که در لیموناد شناور هستند، دور کند. اما صحت این فرضیه هنوز تأیید نشده است.

آیا ذرات معمولی می‌توانند در ماده تاریک نابود شوند؟

نوترون‌ها ذرات ماده معمولی با طول عمر محدود هستند. بعد از گذشت حدود 14.5 دقیقه، یک نوترون منفرد که از اتم خارج نشده باشد، به یک پروتون، الکترون و یا نوترینو تبدیل می‌شود. با توجه به آزمایشات ذکر شده در یک مطالعه در ماه ژانویه و در ژورنال Physical Review Letters، دو مجموعه آزمایشی مختلف طول عمر کمی متفاوت برای این فروپاشی نشان می‌دهند که اختلاف بین آن‌ها چیزی حدود 9 ثانیه است.

در اوایل سال جاری، فیزیکدانان اشاره کردند که اگر در طی یک صدم ثانیه، برخی نوترون‌ها در ذرات ما‌د‌ه تا‌ر‌یک تجزیه شوند، می‌توانند عامل این ناهنجاری به وجود آمده باشند. کریستوفر موریس از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، در نیومکزیکو  و تیم وی نوترون‌ها را برای سیگنالی که مربوط به ما‌د‌ه تار‌یک بودند، اما قادر به تشخیص چیزی نیستند، تحت نظر داشتند. طبق این بررسی، آن‌ها پیشنهاد کردند که سناریوهای فروپاشی ممکن است امکان پذیر باشد.

آیا ماده تاریک وجود خارجی دارد؟

با توجه به دشواری‌هایی که دانشمندان برای کشف و توضیح ما‌ده تا‌ر‌یک با آن روبرو بوده اند، ممکن است یک شخص منطقی از خود سؤال کند که آیا ممکن است همه آن‌ها اشتباه کنند یا خیر. سال‌هاست که اقلیت فیزیکدانان این عقیده را مطرح می‌کنند که شاید نظریه‌های گرانش ما صرفاً نادرست باشند و این که نیروی بنیادی بر اساس مقیاس‌های بزرگ متفاوت از آنچه انتظار داریم عمل کند.

این پیشنهادات که اغلب به عنوان “دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده” یا مدل‌های MOND شناخته می‌شود، بیانگر این است که ماده تاریک وجود ندارد و سرعت‌های فوق سریع و شگفت‌آوری که در آن ستارگان و کهکشان‌ها در حال چرخش در اطراف یکدیگر هستند، نتیجه رفتار گرانشی است.

دان لینکلن، فیزیکدان در متن توضیحی خود برای مجله Live Science نوشت: «ما‌د‌ه تا‌ریک هنوز تأیید نشده است.» با این حال آن‌ها هنوز نتوانسته‌اند زمینه بزرگ‌تر ایده‌های خود را اثبات کنند و اذهان را متقاعد کنند. و آخرین شواهد و مدارک حاکی از این است که ما‌د‌ه تا‌ر‌یک واقعی است.