۱۱  مورد از بزرگ‌ترین سؤال های بی پاسخ در مورد ماده تاریک

ماده تاریک

ماده تاریک در سال‌های اخیر بسیار بحث جنجالی در زمینه نجوم محسوب می شود اما هنوز هم برخی از دانشمندان وجود چنین ماده‌ای را رد می‌کنند آیا این ماده وجود دارد؟ و اگر وجود دارد چگونه می‌توان آن را آشکار ساخت؟ و سوالات بی پاسخ دیگر که در این بخش قصد داریم به بررسی آن‌ها بپردازیم. با ما همراه باشید.

شبکه ماده تاریک

در دهه ۱۹۳۰، یک ستاره‌شناس سوئیسی به نام فریتز زویکی متوجه شد که کهکشان‌های موجود در یک خوشه دوردست نسبت به مقدار جرم قابل مشاهده‌ای که داشتند، خیلی سریع‌تر در حال چرخش به دور یکدیگر بودند. او پیشنهاد کرد که یک ماده غیبی، که او آن را ماده تاریک می‌نامید، ممکن است روی این کهکشان‌ها کشش ایجاد کند.

از آن زمان محققان تأیید کردند که می‌توان این ماده مرموز را در کیهان یافت و این ماده شش برابر بیشتر از ماده عادی است که چیزهای عادی مانند ستاره‌ها و مردم از آن تشکیل شده‌اند. با این حال علیرغم دیدن ماده‌تاریک در سراسر جهان، اکثر دانشمندان هنوز شدیداً در فکر آن هستند. در اینجا ۱۱ تا از بزرگ‌ترین سؤال های بی پاسخ در مورد ماده‌تاریک آورده شده است.

ماده تاریک چیست؟

اولین موضوع که شاید حیرت‌انگیز باشد این است که محققان نسبت به ماده تاریک دقیقاً مطمئن نیستند. در ابتدا برخی دانشمندان حدس می‌زدند که جرم گمشده در جهان از ستاره‌های کوچک و سیاهچاله‌ها ساخته شده است، هرچند که مشاهدات تفصیلی به اندازه کافی نشان نداده‌اند که چنین اشیائی تأثیر ماده‌تاریک را توجیه می‌کنند، با اینکه فیزیکدان دون لینکلن از دپارتمان فارمیلاب انرژی این موضوع را قبلاً برای سایت علوم زنده نوشته بود. همان‌طور که لینکلن نوشت، پیشرو فعلی توجیه ماده تاریک یک ذره فرضی پرجرم با برهمکنش ضعیف یا WIMP است که مانند نوترون رفتار می‌کند. این ذره بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از پروتون است. با این حال، این حدس فقط به سؤالات بیشتری منجر شده است – به عنوان مثال …

آیا می‌توانیم ماده تاریک را آشکار کنیم؟

اگر ماده تاریک ازWIMP ها ساخته شده باشد، آنها باید در اطراف ما اما نامرئی و به سختی قابل ردیابی باشند. پس چرا هنوز پیدایشان نکرده‌ایم؟ در حالی که آنها خیلی با ماده معمولی واکنش ندارند، همیشه احتمال کمی وجود دارد که یک ذره ماده تاریک بتواند هنگام عبور از فضا به یک ذره عادی مانند پروتون یا الکترون برخورد کند. بنابراین محققان آزمایش در پی آزمایش انجام دادند تا تعداد زیادی از ذرات معمولی در اعماق زیر زمین، جایی که از تابش تداخلی محافظت می‌شوند و می‌توانند از برخورد ذرات ماده‌تاریک محافظت شوند، را مطالعه کنند. مشکل چه بود؟ پس از چندین دهه جستجو، هیچ یک از این آشکارسازها کشف موفقی را انجام نداده‌اند.

در اوایل سال جاری، آزمایش پانداکس چینی جدیدترین عدم نمایش WIMP را گزارش کرد. فیزیکدان هایبویو از ریورساید، دانشگاه کالیفرنیا، در آن زمان به سایت علوم زنده گفت که به نظر می‌رسد ذرات ماده‌تاریک بسیار کوچک‌تر از WIMPها هستند، یا فاقد خصوصیاتی هستند که بتوان آنها را آسان مطالعه کرد.

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

ماده معمولی از ذرات روزمره مانند پروتون و الکترون و همچنین از یک باغ وحش کامل از ذرات عجیب و غریب مانند نوترینوها، میون‌ها و پیون‌ها تشکیل شده است. بنابراین، برخی محققان از این سؤال پرسیدند که آیا ماده تاریک، که ۸۵ درصد ماده در جهان را تشکیل می‌دهد، نیز می‌تواند به همین اندازه پیچیده باشد. آندری کاتز، فیزیکدان دانشگاه هاروارد، به  ماکه سایتی مشابه علوم زنده است، گفت: “دلیل خوبی وجود ندارد که تصور کنیم تمام ماده‌تاریک در جهان از یک نوع ذره ساخته شده است.” کاتز گفت: “پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند تا اتم‌های تاریک شکل بگیرند و پیکربندی‌هایی به همان اندازه متنوع و جالب‌توجه مانند آنچه در دنیای قابل مشاهده وجود دارد، تولید کنند. در حالی که چنین پیشنهادهایی به طور فزاینده‌ای در آزمایشگاه‌های فیزیک پیشنهاد می‌شود، اما پیدا کردن راهی برای تأیید یا انکار آنها دانشمندان را مدت‌هاست گیج کرده است. [کوارک‌ها و مزون‌های عجیب، اوه خدای من! ریزترین ذرات طبیعت جدا شد]

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 می‌شود تجربه کند. برخی از محققان “فوتون‌های تاریک” را جستجو کرده‌اند، که می‌تواند مانند فوتون‌های تبادل شده بین ذرات عادی باشد که باعث ایجاد نیروی الکترومغناطیسی می‌شوند، به‌جز اینکه  این نیرو فقط توسط ذرات ماده تاریک احساس می‌شود. همان‌طور که قبلاً علوم زنده گزارش داده بود، فیزیکدانان در ایتالیا در تلاش هستند تا پرتو الکترون‌ها و ذرات آنها را که به عنوان پوزیترون شناخته می‌شوند به درون یک الماس در هم بشکنند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت‌های الکترون پوزیترون می‌توانند یکی از ذرات عجیب حامل نیرو را منهدم و تولید کنند و به طور بالقوه یک بخش کاملاً جدید از جهان را بگشایند.

آیا می‌توان ماده تاریک را از آکسون‌ها ساخت؟

از آنجا که فیزیکدانان به طور فزاینده عاشقWIMP ها می‌شوند، ذرات ماده تاریک دیگر شروع به جلب‌توجه می‌کنند. یکی از جایگزین‌های پیشرو، ذره‌ای فرضی است که به نام آکسون شناخته می‌شود که بسیار سبک است و شاید به اندازه ۱۰ الی ۳۱ توان کم جرم‌تر از پروتون باشد. آکسون‌ها در حال حاضر در چندین آزمایش جستجو می‌شوند. شبیه سازی های رایانه‌ای اخیر این احتمال را ایجاد کرده است که این آکسون‌ها می‌توانند اشیاء شبیه به ستاره را تشکیل دهند، که ممکن است پرتوهای قابل ردیابی تولید کنند که کاملاً شبیه پدیده‌های اسرارآمیز معروف به انفجارهای رادیویی سریع باشد،.

خواص ماده تاریک چیست؟

اخترشناسان ماده تاریک را کشف کردند هرچند که برهم کنش‌های گرانشی آن با ماده عادی نشان می‌دهد که این روش اصلی شناختن حضور آن در جهان است. اما هنگامی که محققان تلاش می‌کنند تا ماهیت واقعی ماده‌تاریک را بفهمند، چیز زیادی برای این کار ندارند. طبق برخی از تئوری‌ها، ذرات ماده‌تاریک باید پاد ذره خودشان باشند، به این معنی که دو ذره ماده تاریک هنگام برخورد با هم، باید یکدیگر را منهدم کنند. آزمایش طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی از سال ۲۰۱۱ به دنبال نشانه‌های آشکار کننده این نابودی است و تاکنون صدها هزار واقعه را کشف کرده است. دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که اینها از ماده تاریک ناشی می‌شوند  و این سیگنال هنوز برای کمک به آنها نتوانسته دقیقاً ماده تاریک را مشخص کند.

آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد؟

از آنجا که این ماده از ماده عادی بسیار پر جرم‌تر است، غالباً گفته می‌شود ماده‌تاریک نیرو 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 کهکشانی را به نام NGC 1052-DF2 پیدا کرده‌اند که به نظر می‌رسد به هیچ وجه حاوی ماده تاریک نیست. پیتر ون دوکوم از دانشگاه ییل در آن زمان به ما گفت: “ماده تاریک ظاهراً الزامی برای تشکیل یک کهکشان نیست”. با این حال، در طول تابستان، یک تیم جداگانه تجزیه و تحلیلی ارسال کرد که نشان می‌دهد تیم ون دوکوم فاصله با کهکشان را اندازه گیری کرده است، بدین معنی که ماده قابل رویت آن بسیار کم نور تر و سبک‌تر از اولین یافته‌ها بوده است و جرم بیشتری از آنچه قبلاً پیشنهاد شده بود، از ماده تاریک بوده است.

از نتایج DAMA / LIBRA چه خبر؟

یک راز دیرینه 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 دوره‌ای در ذرات ماده‌تاریک است. این نوسانات باید زمانی که زمین در مدار خود به دور خورشید حرکت می‌کند و هنگام عبور از جریان کهکشانی ماده تاریک اطراف منظومه شمسی ما، که گاهی اوقات باد ماده تاریک نامیده می‌شود، به وجود آید. از سال ۱۹۹۷، DAMA / LIBRA ادعا کرده است که دقیقاً این سیگنال را می‌بیند، اگرچه هیچ آزمایش دیگری چیزی شبیه به این ندیده است.

آیا ماده تاریک می‌تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

یک سیگنال از آغاز زمان باعث شده است که برخی فیزیکدانان پیشنهاد کنند که ماده‌تاریک ممکن است بار الکتریکی داشته باشد. تابش با طول موج ۲۱ سانتی‌متر توسط ستاره‌ها در دوران آغازین جهان، فقط ۱۸۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ رخ داده است. سپس توسط هیدروژن سرد که در همان زمان قرار داشت جذب شد. هنگامی که این تشعشع در فوریه سال جاری آشکارسازی شد، امضای آن حاکی از آن بود که هیدروژن بسیار سردتر از آنچه دانشمندان پیش بینی کرده‌اند بود. اخترفیزیک جولیان موزوز از دانشگاه هاروارد فرض کرد که ماده تاریک با یک بار الکتریکی می‌تواند گرما را از هیدروژن، مانند مکعب‌های یخی که در لیموناد شناور هستند، دور کند. اما این حدس هنوز تأیید نشده است.

آیا ذرات معمولی می‌توانند در ماده تاریک متلاشی شوند؟

نوترون‌ها ذرات ماده‌ی معمولی با طول عمر محدود هستند. بعد از گذشت حدود ۱۴.۵ دقیقه، یک نوترون تنها که از اتم دور مانده باشد، به یک پروتون، یک الکترون و یک نوتیرینو تجزیه می‌شود. با توجه به آزمایشات ذکر شده در یک تحقیق ژوئیه در ژورنال Physical Review Letters، دو آزمایش مختلف، طول عمر کمی متفاوت برای این تجزیه نشان می‌دهد که اختلاف بین آنها در حدود ۹ ثانیه است. در اوایل سال جاری، فیزیکدانان پیشنهاد دادند که اگر ۱ درصد از زمان، برخی نوترون‌ها در ذرات ماده تاریک تجزیه شوند، می‌تواند این ناهنجاری را به خود اختصاص دهند. کریستوفر موریس از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو، و تیم وی نوترون‌ها را برای سیگنالی که می‌توانست ماده‌تاریک باشد، بررسی کردند. اما چیزی نیافتند. طبق این بررسی، آنها پیشنهاد کردند که سناریوهای پوسیدگی دیگر نیز ممکن است هنوز امکان پذیر باشد.

آیا واقعاً ماده تاریک وجود دارد؟

با توجه به مشکلاتی که دانشمندان برای کشف و تبیین ماده‌تاریک با آن روبرو بوده‌اند، ممکن است این سؤال منطقی برای کسی پیش بیاید که همه اینها اشتباه هستند. سال‌هاست که اقلیت فیزیکدانان پرآوازه این عقیده را مطرح می‌کنند که شاید نظریه‌های گرانش ما نادرست باشند، و این که نیروی بنیادی متفاوت در مقیاس‌های بزرگ، متفاوت از آنچه انتظار داریم عمل می‌کند. این پیشنهادات که اغلب به عنوان “دینامیک اصلاح شده نیوتنی” یا مدل‌های MOND شناخته می‌شوند، بیانگر این است که ماده تاریکی وجود ندارد و سرعت‌های فوق سریع که در آن ستارگان و کهکشان‌ها در حال چرخش در اطراف یکدیگر هستند، نتیجه رفتار گرانشی به روش‌های غافلگیرکننده است.

دون لینکلن، فیزیکدان در توضیح برای علوم زنده نوشت: “ماده‌تاریک هنوز یک مدل تأیید نشده است.” با این حال منتقدان هنوز نتوانسته‌اند در زمینه بزرگ‌تر ایده‌های خود کسی را قانع کنند. اما آخرین شاهد چطور؟ آن همچنان نشان می‌دهد که ماده تاریک واقعی است.