ماده تاریک شاید فراتر از دانسته‌های ما باشد

برچسب «ماده تاریک» ناشی از ناآگاهی ما از ماهیت اکثر مواد ناشناخته موجود در جهان است. این ماده پنج برابر بیشتر از ماده معمولی در جرم کیهان سهم دارد. اما با این‌حال نمی‌توانیم آن را ببینیم. تنها حضور این ماده به صورت غیرمستقیم و از طریق اندرکنش‌های گرانشی آن با ماده مرئی را می‌توانیم استنتاج کنیم.

مدل استاندارد کیهان‌شناسی می‌تواند تشکیل ساختارهای گرانشی، خوشه‌بندی شدن و رشد آن‌ها به مرور زمان را با استفاده از مفهوم نوسانات اولیه در اقیانوسی متشکل از ذرات نامرئی با حرکت‌های تصادفی اولیه بسیار کوچک، با موفقیت توضیح دهد. اما این ماده تاریک سرد می‌تواند ترکیبی از ذرات مختلف باشد.

این ماده می‌تواند از ذرات پرجرمی که اندرکنش‌های ضعیف دارند (مثل ذرات فرضی با نام اکسیون) تشکیل شده باشد و یا حتی ممکن است اتم‌های تاریک که با ماده معمولی و یا نور برهمکنش نمی‌کنند، بنیاد ماده تاریک را تشکیل دهند. ما هنوز هیچ یک از این ذرات نامرئی را کشف نکرده‌ایم، اما اثر نوسانات اولیه آن‌ها را در تغییرات جزئی تابش زمینه کیهانی، تابش به جا مانده از انفجار بزرگ داغ در عالم اولیه، اندازه‌گیری کرده‌ایم.

بسیاری از آزمایشات در جستجوی ردپایی از ماده تاریک هستند. دانشمندان چه در آسمان و چه آزمایشگاه‌هایی مثل برخورددهنده هادرونی بزرگ در تلاش برای فهم ماده هستند. این جستجو تاکنون ناموفق بوده است. فرض اینکه انواع خاص ذرات بنیادی نماینده‌های اصلی ماده تاریک هستند، به مرور زمان رد شد و نوبت به سیاه‌چاله‌های ابتدایی رسید. با انجام مطالعات مشخص شد که این اجرام نیز گزینه‌های مناسبی نیستند و در نتیجه، معمای شناخت ماده تاریک مرموزتر از همیشه شد.

در مقاله‌ای که در سال 2005 با همکاری Matias Zaldarriaga منتشر شد، نشان داده شده که ذرات ماده تاریک سرد می‌توانند تا از لحاظ گرانشی تا مقیاس‌هایی در حدود مقیاس جرمی زمین، به حالت خوشه‌ای درآیند. هنوز شواهدی برای این توده‌های ریز ماده تاریک یافت نشده است. محققان در حال مطالعه روی ساختارهای بزرگ مقیاس کیهان هستند تا پرده از رموز ماده تاریک بردارند. کهکشان راه شیری که حاوی گاز و ستاره به عنوان هسته داخلی است و توسط هاله‌های ماده تاریک نیز احاطه شده، یکی از نمونه‌های این ساختارهاست.

همانطور که در مطالعات Vera Rubin نشان داده شده، دینامیک گاز و ستاره در کهکشان‌ها، وجود جرمی نامرئی در هاله را نشان می‌دهد که در خارج از منطقه داخلی، جایی که ماده معمولی متمرکز شده است، گسترش می‌یابد. در عین ناباوری، نیاز به حضور ماده تاریک در کهکشان‌هایی مانند کهکشان راه شیری تنها در منطقه بیرونی کهکشان احساس می‌شود که شتاب در این نواحی به مقداری کمتر از حد مشخص برای عالم می‌رسد.

این حد مشخص برای شتاب تقریبا برابر است با سرعت نور تقسیم بر سن جهان. این موضوع یک واقعیت غیرمنتظره در تفسیر استاندارد ماده تاریک است. ویژگی‌های شتاب جهانی این احتمال را در ذهن ایجاد می‌کند که آنچه در عالم به دنبال آن هستیم، ماده نامرئی نیست. بلکه تغییر در اثرات گرانشی دینامیک ماده مرئی به علت قرار گرفتن در محیطی با شتاب اندک است.

این ایده در سال 1983 توسط Moti Milgrom مطرح شد و نظریه دینامیک اصلاح شده نیوتنی و یا به عبارت خلاصه MOND نام گرفت. در این نظریه تلاش می‌شود تا به مسئله ماهیت ماده تاریک پاسخ داده شود. به طور قابل توجهی، بیش از چهار دهه است که دیدگاه ساده و جالب این دانشمند در زمینه دینامیک اصلاح شده در شتاب کم، در تفسیر منحنی‌های چرخش نسبتا تخت در بسیاری از هاله‌های کهکشانی، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

همانطور که در نظریه MOND پیش‌بینی می‌شود، تمام داده‌های موجود در کهکشان راه شیری، ارتباط تنگاتنگی میان سرعت دایره‌ای در حومه کهکشان و مقدار کل ماده معمولی (که آن را با عنوان ماده باریونی می‌شناسیم)، وجود دارد. این رابطه را به صورت اختصاصی رابطه ماده باریونی Tully-Fisher می‌نامند.

در مقاله منتشر شده در سال 1995، یکی از دانشجویان سال اول دکترا به نام Daniel Eisenstein نشان داد که قیود این رابطه در مفاهیم شرح داده شده از ماده تاریک، مطرح نشده است. با فرض وجود ماده تاریک در عالم، نظریه MOND این سوال را مطرح می‌کند که چرا ذرات ماده تاریک می‌توانند تاثیری بر رفتار دینامیکی کهکشان‌ها از منظر شتاب داشته باشند؟ آیا این مسئله نکته مهمی در مورد ماهیت آن‌ها را آشکار می‌کند؟

اما MOND در مقیاس‌های بزرگتر از کهکشان، با چالش‌هایی روبرو است. سیستم‌های عظیم‌تر مانند خوشه‌های کهشکانی – محلی که برای اولین بار Fritz Zwicky وجود ماده تاریک را مطرح کرد – شواهدی در مورد توده از دست رفته را نشان می‌دهد.

این شواهد حتی در مواردی که شتاب آن‌ها بیش از مقیاس آستانه MOND است نیز، مشاهده می‌شود. علاوه بر این، نوسانات صوتی که با دقت بسیار بالایی در افت و خیزهای روشن تابش زمینه ریزموج کیهانی کشف شده‌اند، حضور مولفه‌ای غالب بر ماده معمولی را تائید می‌کنند که می‌تواند آزادانه جریان یابد. در حقیقت این رفتار آزاد کاملا در تضاد با رفتاری است که ماده معمولی و شار تابشی می‌تواند از خودش نشان دهد. ماده معمولی و شار تابشی به شدت با اندرکنش‌های الکترومغناطیسی جفت شده‌اند.

اما در مورد کوچکترین مقیاس‌ها چطور؟ بررسی داد‌ه‌های ماهواره گایا که کهکشان‌های فوق کم‌نور را بررسی می‌کند، راهنمای خوبیست. در این مطالعات نشان داده شد که رفتار این دسته از کهکشان‌ها از MOND منحرف است. درست همانند خوشه‌های کهکشانی، به نظر می‌رسد که این دسته از کهکشان‌ها نیز در مقیاس خود بر علیه تئوری MOND ظاهر می‌شوند.

احتمال دیگری که در مقاله‌ای در سال 2018 با Julian Munoz مطرح شد، نشات گرفته از نتایج آزمایش EDGES بود که خبر از افت بیش از حد دمای اتم هیدروژن در عالم اولیه را می‌داد. به کمک این آزمایش نشان داده شد که ذرات ماده تاریک بار الکتریکی اندکی دارند، می‌توانند از ماده معمولی گسیل شوند و اتم‌های هیدروژن را بیشتر از مقدار انتظار، سرد کنند.

توضیح اینکه چرا و چگونه ذرات ماده تاریک دارای مقدار اندکی بار الکتریکی هستند، بسیار دشوارتر از توضیح فرضیه‌ای است که عقیده داشت ذرات ماده تاریک رشته‌هایی میان اجرام آسمانی هستند که تحت تاثیر نور قرار دارند. با وجود تمام این گمانه‌زنی‌ها، ذات ماده تاریک نیاز به مطالعات گسترده و تفکر و تعمق بسیار دارد.

برای پی بردن به ماهیت ماده تاریک نیاز به سرنخ‌های بیشتر و دقیق‌تری داریم. امیدوارم در دهه‌های آینده، با کنار هم قرار دادن قطعات مختلف این پازل، بتوانیم به پاسخ مناسبی برای سوال‌های خود برسیم و از این راز کیهانی پرده برداریم. وضعیت کنونی ما بدین صورت که به دنبال نشانه‌ای در عالم می‌گردیم تا ما را در فهم این مسئله یاری کند.