یکتاس

ماده تاریک چیست؟

 اکتشاف ماده تاریک باعث شد که فقط ستاره‌ها و کهکشان‌ها به عنوان عامل اصلی ساختار کیهان در نظر گرفته نشود، بلکه دوستداران و علاقه‌مندان علم نجوم بدانند که ماده تاریک، ماده تشکیل‌دهنده اصلی مواد قابل مشاهده در جهان است. به گزارش سرویس ترجمه ایمنا، دلیل نام‌گذاری "ماده تاریک" این است که نسبت به نور واکنش نشان نمی‌دهد و با مواد عادی نیز هیچ‌گونه بر هم‌کنشی ندارد، به همین دلیل است که ما نمی‌توانیم وجود آن را به راحتی احساس کنیم. بررسی‌های اخترشناسان نشان داده است ماده معمولی که به شکل ستارگان و ابرها دیده می‌شود، عامل ۱۵ درصد از نیروی گرانش است؛ باقیمانده نیروی گرانش به دلیل وجود ماده مرموزی به نام ماده تاریک است.

یک اخترشناس هلندی به نام "یان اورت"، سرعت ستارگان موجود در کهکشان راه شیری را مورد بررسی قرار داد و متوجه شد که سرعت این ستارگان بسیار زیاد است، اما با این وجود از مسیر خود پراکنده نمی‌شدند.  او متوجه شد کهکشان‌ها با سرعت بسیار زیاد حرکت می‌کنند؛ انتظار می‌رفت با این سرعت زیاد  کهکشان‌ها از گرانش درون خوشه کهکشانی رها شوند، اما در عمل این اتفاق نیفتاد. محققان برای توضیح ماده تاریک مدل‌های بسیاری به وجود آوردند که مقبول‌ترین آن‌ها، مدل لامبدا سی دی ام (Lambda-CDM) بود؛ این مدل توانست بعضی ویژگی‌های ماده تاریک را تفسیر کند.  پس از یان اورت، یک اخترشناس سوئیسی به نام "فریتز زوایکی"، گروهی از کهکشان‌ها را بررسی کرد تا اطلاعاتی در مورد سرعت حرکت آن‌ها به دست آورد.

با وجود تلاش‌هایی که تاکنون در راستای شناخت ماده تاریک انجام شده است، مطالعات و پژوهش‌ها در مورد رفتار و ویژگی‌های آن همچنان ادامه دارد. در نتیجه او به این نتیجه رسید که ماده دیگری وجود دارد که دارای گرانش بسیار شدید بوده و باعث شده است کهکشان‌ها در مسیر خود به سرعت حرکت کنند. در واقع از تاثیرات گرانشی موجود بر روی اجسام قابل مشاهده مانند ستاره‌ها و کهکشان‌ها، می‌توان متوجه شد که چنین ماده‌ای وجود دارد. نتایج بررسی‌های این ستاره‌شناس نشان داد  ماده غیر قابل مشاهده‌ای وجود دارد که دارای نیروی گرانشی بسیار قوی است.  بر این اساس می‌توان گفت، ماده تاریک سرد بوده، سرعت حرکت آن از سرعت نور کمتر است و با مواد دیگر برخوردی ندارد.

ماده تاریک

ماده معمول دیگری که می تواند تشکیل دهنده ماده تاریک باشد ستارگانی هستند که جرم کافی برای سوختن و درخشان شدن ندارند- کوتوله های قهوه ای - یا ژوپیترها - ژوپیترها کوتوله هایی به مراتب (حدود ۱۰ برابر) سنگین تر هستند و به صورت ستارگان بسیار کوچک و کم نور فعالیت دارند. همان طور که در کناره های کهکشان میزان نور به سرعت کم می شود انتظار می رود سرعت چرخش نیز پایین بیاید ولی این اتفاق نمی افتد و سرعت در همان میزانی که محاسبه شده بود ثابت می ماند و این مطلب آشکارا نشان می دهد در کناره های کهکشان جرمی وجود دارد که ما نمی بینیم. در لحظه تولد عالم وقتی مهبانگ رخ داد عالم ماده ای بسیار گرم تشکیل شده از انواع ذرات بود، در حالی که عالم بزرگ و بزرگتر و به سردی می گرایید ذرات ماده معمول مثل الکترون، نوترون و پروتون ها نیز سرد می شدند و اتمهای مواد موجود در عالم را تشکیل می دادند.

باید توجه کرد که این میزان ماده بارنوییک برای مواد قابل مشاهده در عالم ما زیاد است در نتیجه مقداری ماده معمول تاریک (از جمله سیارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما این مواد نمی توانند توجیه کننده سرعت خوشه و منحنی دوران آنها باشند. در دهه ۱۹۳۰، zwicky، Smith، دو خوشه تقریبا نزدیک به هم Coma و Virgo را از لحاظ کهکشان های تشکیل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسی قرار دادند، و سرعتی که بدست آوردند چیزی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر مقداری بود که انتظار داشتند. هنگامی که چیزی به وسعت یک خوشه کهکشانی نگاه می کنید با اینکه ممکن است سرعت ها زیاد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چیزی به حساب نمی آیند پس مشاهده مداوم یک خوشه در طی چندین سال تصویر یکسانی از آن بدست می دهد.

ماده تاریک ممکن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشکیل شده باشد، ولی سیاراتی مثل زمین به اندازه کافی جرم ندارند، پس ممکن است ژوپیترها تشکیل دهنده ماده تاریک باشند. ماده تاریک ممکن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشکیل شده باشد, ولی سیاراتی مثل زمین به اندازه کافی جرم ندارند, پس ممکن است ژوپیترها تشکیل دهنده ماده تاریک باشند. معنی این چیست؟ در یک گروه از کهکشان ها مثل خوشه تنها نیروی موثر بر کهکشان ها گرانش است و این گرانش اثر کششی کهکشان ها بر یکدیگر است که باعث بالا رفتن سرعت آنها می شود. اما این نظریه چندین مشکل دارد، اول اینکه ما فرض کرده ایم سیارات فقط در اطراف ستارگان شکل گرفته اند، بنا بر این ستارگان به میزان بسیار کمی جرم آن ها را بالا می برند.

مواد تشکیل دهنده ماده تاریک

ماده معمول دیگری که می تواند تشکیل دهنده ماده تاریک باشد ستارگانی هستند که جرم کافی برای سوختن و درخشان شدن ندارند- کوتوله های قهوه ای - یا ژوپیترها - ژوپیترها کوتوله هایی به مراتب (حدود 10 برابر) سنگین تر هستند و به صورت ستارگان بسیار کوچک و کم نور فعالیت دارند. همان طور که در کناره های کهکشان میزان نور به سرعت کم می شود انتظار می رود سرعت چرخش نیز پایین بیاید ولی این اتفاق نمی افتد و سرعت در همان میزانی که محاسبه شده بود ثابت می ماند و این مطلب آشکارا نشان می دهد در کناره های کهکشان جرمی وجود دارد که ما نمی بینیم. در لحظه تولد عالم وقتی مهبانگ رخ داد عالم ماده ای بسیار گرم تشکیل شده از انواع ذرات بود، در حالی که عالم بزرگ و بزرگتر و به سردی می گرایید ذرات ماده معمول مثل الکترون، نوترون و پروتون ها نیز سرد می شدند و اتمهای مواد موجود در عالم را تشکیل می دادند.

باید توجه کرد که این میزان ماده بارنوییک برای مواد قابل مشاهده در عالم ما زیاد است در نتیجه مقداری ماده معمول تاریک (از جمله سیارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما این مواد نمی توانند توجیه کننده سرعت خوشه و منحنی دوران آنها باشند. هنگامی که چیزی به وسعت یک خوشه کهکشانی نگاه می کنید با اینکه ممکن است سرعت ها زیاد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چیزی به حساب نمی آیند پس مشاهده مداوم یک خوشه در طی چندین سال تصویر یکسانی از آن بدست می دهد. در دهه 1930، zwicky، Smith، دو خوشه تقریبا نزدیک به هم Coma و Virgo را از لحاظ کهکشان های تشکیل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسی قرار دادند، و سرعتی که بدست آوردند چیزی بین 10 تا 100 برابر مقداری بود که انتظار داشتند.

ماده تاریک ممکن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشکیل شده باشد، ولی سیاراتی مثل زمین به اندازه کافی جرم ندارند، پس ممکن است ژوپیترها تشکیل دهنده ماده تاریک باشند. معنی این چیست؟ در یک گروه از کهکشان ها مثل خوشه تنها نیروی موثر بر کهکشان ها گرانش است و این گرانش اثر کششی کهکشان ها بر یکدیگر است که باعث بالا رفتن سرعت آنها می شود. اما این نظریه چندین مشکل دارد، اول اینکه ما فرض کرده ایم سیارات فقط در اطراف ستارگان شکل گرفته اند، بنا بر این ستارگان به میزان بسیار کمی جرم آن ها را بالا می برند. مقدار هر ماده ای که تشکیل می شود به میزان ماده معمول تشکیل دهنده اتم (ماده بارنوییک) بستگی دارد و BBN مقدار این ماده را برای عالم کنونی چیزی در حدود امگا = 0.

ماده تاریک

اگر WIMP ها وجود داشته باشند، و اگر چنانچه آنها دارای خواص مشخصی باشند که بوسیله برخی تئوری های ابرتقارنی پیش بینی شده است، آنگاه، سبک ترین WIMP ها دارای نوعی خودتخریبی هستند که این فرآیند، دو پرتو گاما (در حالت عادی و تعادل جرمی یک WIMP ) تولید می کنند.                                                                 انرژی تاریک. همانطوری که الکترون و زوج پادماده آن یعنی پوزیترون، با تخریب یکدیگر، دو پرتو گاما با انرژی 511 کیلوالکترون – ولت تولید می کنند، آثار تخریبی WIMP ها نیز اطلاعاتی را درباره میزان جرم متعادل ذرات ماده تاریک به ما می دهد.

اینشتن پس از توجه به داده های هابل، ضریب کیهانشناختی را بدترین اشتباه زندگی خود دانست، اما او از این موضوع بی طلاع بود که 85 سال بعد همین اشتباه تنها توضیح برای نمایش نیروی ضدگرانشی در فواصل زیاد عمل می کند. یکی از کاندیداهای مواد تشکیل دهنده ماده تاریک ذرات ویمپ هستند:  درحالیکه هیچ نشانی از ماده تاریک در پرتو الکترومغناطیس یافت نمی شود دانشمندان می توانند با استفاده از پرتوهای گاما، به وجود آن پی ببرند. لذا آنها با نتایجی شگفت انگیز مواجه شده بودند- خارج از محاسبه آنها و جواب بدست آمده و به جز ماده موجود باید مواد دیگری هم باشد که آنها قادر به مشاهده اش نبودند- بنابر این آنها، آن را " ماده تاریک " نامیدند.

 جالب آن است که این موضوع قبلا در معادلات اینشتن آمده بود، اما به علت غیر معقول رسیدن این انبساط، اینشتن عاملی با نام "ضریب کیهان شناختی" را وارد معادله خویش ساخت تا به نظر خود نتیجه را اصلاح کند. با بررسی چرخش کهکشانها وسرعتهای ستارگان وبررسی حرکات ابرهای گاز  در مناطق مختلف آنها دانشمندان متقاعد شده اند که در هاله کهکشانها بیش از آنچه که قبلا"دیده  شده جرم وجود دارد. WIMP ( Weakly Interacting Massive Particles ) ها مواد ذرات پرجرمی هستند که فرآیند واکنش آنها بسیار ضعیف است (ماده ای که تنها بوسیله گرانش واکنش می دهد و نه از طریق فعل و انفعالات الکترومغناطیسی). اما سپس داده های اندازه گیری شده از تابش زمینه کیهانی نشان دادند که چگالی کل عالم به مقدار جرم بحرانی خاص افزوده شده است، بنابراین تورم دوباره برقرار شد و راه حلی جدید کشف گردید.

منبع