ماده ی تاريك، هستی يا نيستی-قسمت سوم

ماده ی تاريك، هستی يا نيستی-قسمت سوم ​

آیا می دانید ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده است؟ بیشتر کیهان شناسان بر این باورند که ماده تاریک از ذرات عجیبی ساخته شده است؛ ذراتی که فقط به طور ضعیف بر همکنش دارند و در مراحل بسیار اولیه تحول عالم به مقدار خیلی زیادی تولید شده اند.




ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده است؟

در ابتدا ممکن است این فکر مطرح شود که ماده تاریک هم مثل بقیه مولد عالم از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است . علی القاعده یك کهکشان می تواند مقدار عظیمی از جرم را به صورت سیاراتی شبیه مشتری در خود جای دهد که ان قدر کم نورند که با تلسکوپ های موجود قابل آشکار سازی نیستند . با این حال شواهد غیر مستقیم حکایت از آن دارند که این طور نیست. بر اساس مشاهدات مربوط به فراوانی دوتریوم می توان در مورد چگالی عددی نوکلئون های موجود د رعالم قضاوت کرد . این قید ایجاب می کند که نوکلئون ها در بهترین حالت ممکن ، فقط ده درصد چگالی بحرانی را تشکیل دهند . مقدار ماده تاریک دیده شده در سیستم های مختلف آن قدر زیاد است که نمی تواند از جنس ماده معمولی باشد . بیش تر کیهان شناسان بر این باورند که ماده تاریک از ذرات عجیب تری ساخته شده است ؛ ذراتی که فقط به طور ضعیف بر همکنش دارند و در مراحل بسیار اولیه تحول عالم به مقدار خیلی زیادی تولید شده اند .



به عنوان مثال، ذره بنیادی نوترینو را در نظر بگیرید متناظر با سه لپتون ( الکترون ، میون ، تاو ) سه نوع نوترینو وجود دارد. البته این نوترینو ها در آزمایشگاه دیده شده اند و هیچ شکی درباره وجود آنها نیست. اما نکته مورد بحث جرم این ذرات است. همه آنچه از نتایج آرمایش ها می دانیم این است که جرم نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نو ترینوی تاو به ترتیبت از مقادیر 12e و250 KeV و35MeV کم ترند، و البته جرم آ نها ممکن است صفر هم باشد. مثلاً نوترینوی میون ممکن است جرم ناچیزی در حدود30 eV داشته باشد، بدون آنکه هیچ یک از نتایج مشاهدات آزمایشگاهی نقض شود. این جرم تقریباً سی میلیون مرتبه کمتر از جرم یک نوکلئون است، اما عالم نیز تقریباً تعداد نوترینوهایش سیصد میلیون برابر پروتون هاست. بنابراین، چگالی جرم کل ناشی از نوترینوها ممکن است ده برابر بیش تر از نوکلئون ها باشد و به همین دلیل است که این ذره احتمالاً همان ماده تاریک است. با این حال نوترینوها تنها احتمال ممکن برای ماده تاریک محسوب نمی شوند .

پس باید به دنبال نامزدهای دیگری برای ماده تاریک بود می دانیم که ماده تاریک به صورت غبار نیست چون مقادیر عظیم غبار ، نور کهکشانهای دور دست را تیره و تار می کند و هم چنین اینکه قسمت عمده ماده تاریک به شکل سیاهچاله یا ستاره نوترونی نیست . چرا که ریزش گاز و غبار به این گردابهای گرانشی آن قدر پرتو x تولید می کند که مسلماً بخش بیشتری از آن را می توان آشکار کرد . از جمله نامزدهایی که برای ماده تاریک در نظر گرفته اند به اسامی کوتوله های قهوه ای ، کوتوله های سیاه ، سیاره های مشتری وار و سرانجام ذرات عجیب بر می خوریم . کوتو له های قهوه ای د ر واقع ستاره های نارس هستند ، نه در جرگه سیاره ای گازی مثل مشتری قرار می گیرند و نه آنقدر بزرگند که به ستاره تبدیل شوند . این گونه کوتوله ها ممکن است د رداخل کهکشانها به وجود آمده باشند . اگر ماده تاریک کهکشان ما که باید به تعداد زیاد در هاله کهکشان موجود باشد از این کوتوله ها تشکیل شده باشد ، چگونه می توان آن را یافت ، در حالی که نمی درخشند و تاریک است ؟ خوشبختانه جرم نیروی گرانش تولید می کند ؛ و دیدیم که چگونه گرانش سراب تولید می کند ، یعنی کوتوله ها می توانند شبیه به یک عدسی عمل کنند برای ستاره هایی که در خط دید ما ، پشت آنها قرار گرفته اند . اما چون این اثر بسیار ضعیف است ؛ اولا باید نزدیکبرین کهکشان به خودمان را بگیریم و دوم اینکه به چه روشی اثر بسیار ضعیف عدسی گرانشی را دریابیم . این کار حساس و بسیار ظریف را دو گروه از منجمان چند سال پیش به عهده گرفتند . در میان 4 میلیون ستاره از ابر ماژلان که این دو گروه بررسی کرده اند سه مورد پیدا شده است که از خود اثر عدسی گراشی نشان می دهند . محاسبات آماری بر مبنای این کشف ، نشان می دهد که بخش اعظم ماده تاریک کهکشان ما را احتمالا کوتوله های قهوه ای ، که در این ارتباط «ماخو» نامیده می شوند، تشکیل می دهد.

کوتوله های سیاه نقطه پایان حیات ستاره های کم جرمند. ولی تا ستاره ای به کوتوله سیاه تبدیل شود دست کم 10 میلیارد سال باید بگذرد . عمر کهکشان ها هم در همیمن حدود است . آیا اصلا در کهکشان ما کوتوله سیاهم به وجود آمده است ؟ سیاره های مشتری وار را باید در کنار ستاره مادرشان جستجو کرد و تاکنون این جستجو به نتایج مثبتی نرسیده است . می ماند ذرات عجیب ، یا ذرات فرضی مثل آکسیون ، گراویتون ، نوترالینو و ... گروهی از ذرات فرضی به نام ویمپ ( مخفف عبارت انگلیسی به معنی ذرات پر جرم با بر هم کنش ضعیف) ذراتی هستند که با شکلهای دیگر ماده به راحتی بر هم کنش نمی کنند این ذره ها ممکن است بسیار سنگینتر از پروتون ها باشند اما با فراوانی کمتر . اگر چنین ذره ای وجود داشته باشد باید آن را به فهرست ذرات تولید شده در عالم آغازین اضافه کنیم . در حال حاضر آزمایش هایی انجام می شود تا این ذرات را بیایند . کشف ذره ای در آزمایشگاه که احتمالا سازنده ماده تاریک است شناخت ما را از عالم متحول می کند و ارتباطی جالب توجه بین فیزیک در کوچکترین و بزرگترین مقیاس برقرار می کند .

کم نورترین کهکشان عالم ؛ نامزدی دیگر برای ماده تاریک

گروهی از ستاره شناسان به سرپرستی « دانیل زاکر » از موسسه ستاره شناسی ماکس پلانک آلمان ، کم نورترین و کوچکترین کهکشان عالم را در نزدیکی کهکشان معروف آندرومدار مرسوم به (M31) کشف کردند . این کهکشان ، یک کهکشان ، یک کهکشان کروی کوتوله و بسیار کم نور با قطر 3000 سال نوری است که در فاصله تقریبی 5/2 میلیون سال نوری از زمین قرار دارد . این کهکشان کوتوله دارای کمترین روشنایی سطحی در میان کلیه کهکشانهای شناخته شده است و روشنایی آ ن هزار بار کمتر از کهکشان راه شیری است .

به گفته ذاکر کشف این کهکشان مهمی به ستاره شناسان برای حل مسأله ماده تاریک در عالم است . بر اساس نظریه های کیهان شناختی ، ماده تاریک در جریان انفجار بزرگ به وجود آمد و با انبساط جهان به صورت توده ای شکل د رآمد و بدین ترتیب بذر اولیه کهکشانها در عالم پاشیده شده اما بعد از آن ماده قابل رؤیت موجود در عالم ، به علت سرد شدن بیش از اندازه توسط ماده تاریک جذب شد . با موجه به محاسبات صورت گرفته د رمورد مقدار ماده تاریک موجود د رعالم ، تعداد کهکشانهای اقماری کهکشانهایی مانند راه شیری و آندرومدا بایستی 100 برابر بیشتر از تعدادی باشد که ستاره شناسان تا کنون موفق به کشف آنها شده اند ، کشف این کهکشان کوتوله و کم نور ممکن است بخشی از مسأله ماده تاریک عالم که قبلاً قابل رؤیت نبود را حل کند .

ماده تاریک با دو مزه : داغ و سرد

اختر شناسان ماده تاریک را به دو دسته داغ و سرد تقسیم می کنند این دو نوع ماده تاریك به الگوهای مختلف افت و خیز چگالی در عالم منجر می شوند و د ر نتیجه برای شکل گیری ساختارها ، مراحل تحولی مختلفی به دست می آید.

برای شروع نخست ، باید مفهوم داغ و سرد در ارتباط با ماده تاریك را بشناسیم . همان طور که قبلاً دیدیم شواهد بسیاری وجود دارد مبنی براین که ماده تاریک از نوعی ذره بنیادی عجیب تشکیل شده است چون فرض می شود که ماده تاریک از نظر الکتریکی خنثی است ، ویژگی کلیدی این ذره بنیادی جرم آن خواهد بود . فرض کنیم جرم آن در مقایسه با سایر ذرات بنیادی شناخته شده بسیار کم باشد . الكترون با جرمی در حدود ./5 M ev ، سبک ترین ذره شناخته شده است . ( البته فقط ذراتی با جرم غیر صفر را د رنظر می گیریم ؛ به عنوان مثال ، فوتون دارای جرم صفر است)حال فرض می کنیم ذره ماده تاریک دارای جرم 10ev ، یعنی پنجاه هزار مرتبه سبکتر از الکترون باشد . درعالم بسیار اولیه با توجه به این که همه ذرات با یکدیگر بر خورد می کردند و بر همکنش داشتند به دمای مشترکی رسیده بودند و می دانیم که تمای یک سیستم معیاری است ازانرژی جنبشی تک تک ذرات . بنابراین د رعالم بسیار اولیه ، هم ذرات ماده تاریک و هم الکترون ها می بایست انرژی جنبشی یکسانی می داشتند . اما با توجه به این که ذره ماده تاریک بسیار سبک تر از الکترون است ، برای آن که انرژی جنبشی یکسانی با الکترون داشته باشد ، بسیار سریع تر حرکت می کرد . همچنان که عالم سرد می شد ، مرحله ای فرا رسید که ذره ماده تاریک کاملاً از بقیه ماده جدا شد . البته هنوزهم با سرعت بسیار زیادی حرکت می کرد . صفت « داغ » بدان معناست که وقتی ذره ماده تاریک از بقیه ماده جدا شد ، همچنان با سرعت خیلی زیاد ( تقریباً قابل مقایسه با سرعت نور ) حرکت می کرد .

از سوی دیگر، اگر ذره ماده تاریک بسیار سنگین تراز ذرات بینادی شناخته شده باشد ، وضعیتی که توصیف شد برعکس می شود . به عنوان مثال ، جرم پروتون1Gev است. حال ذره ماده تاریکی با جرم ، مثلاً 50Gev را در نظر بگیرید . بر اساس استدلال بالا ، نتیجه می گیریم که در عالم آغازین چنین ذره ماده تاریکی با سرعتی بسیار کم تر از پروتون ها و الکترون ها حرکت می کرده است . بنابراین ، وقتی این ذره از بقیه ماده جدا شد ، سرعت بسیار کم تری داشته است . چنین ذره ماده تاریکی ، ماده تاریک « سرد » نامیده می شود .



در خلال حدود 10 سال گذشته یکی ا زتلاشهای عمده اختر شناسان عبارت بوده است از تعیین این که آیا الگوی کهکشانها در آسمان بیشتر به الگوی مربوط به ماده تاریک سرد شبیه است یا به الگوی مربوط به ماده تاریک داغ . تفاوت عمده بین این دو الگو عبارت است از نفوذ دو نوع ماده تاریک در عالم اولیه ، دقیقاً پس از آتشگوی مهبانگ ( زمانی که تشکیل ستاره ها و کهکشانها شروع شد . )

در عالم ماده تاریک داغ ، نخستین ساختارهایی که تشکیل می شوند در مقیاس ابر خوشه های کهکشانها هستند ،که شکلشان شبیه به ورقه و رشته هایی است که شکسته باشند تا کهکشانها و ستاره ها را تشکیل دهند .

ابر خوشه های کهکشانها

اما در عالمی تحت تسلط ماده تاریک سرد ، کمی پس از مهبانگ ، ساختار در مقیاسهای کوچک شروع به تشکیل می کند . کپه های ماده تاریک ، ماده باریونی را جذب می کنند و ستاره ها و کهکشانهایی که کنار هم گرد می آیند که ابر خوشه ها و رشته ها را می سازند .

هم نتایج نظری و هم شبیه سازیهای كامپیوتری كمك می كنند تا بفهمیم درعالم تحت تسلط ماده تاریك سرد باید انتظار چه نوع كپه ای شدن ماده را داشته باشیم . پیش بینی می شد كه عالم تحت تسلط نوترینوهای داغ ساختار نسبتاً ساده ای ؛ مانند خانه های شانه عسل (هر چند كه نه آنچنان منظم ) دارند كه در آنها كهكشانهای درخشان فقط در صفحات معینی تشكیل می شوند . عالم ماده تاریك سرد در هم ریخته تر و پیچیده تر است ،‌ با ساختاری غنی تر كه به عالم واقعی شبیه است . صفحات (ورقه ها ) و رشته ها تشكیل می شوند ، ‌اما به نحو پیچیده تری در هم می تابند و فضاهای خالی واقعاً هم به طور كامل خالی نیستند .