چه از دوست داران علم نجوم باشید، چه نباشید، احتمالا نام ماده تاریک را شنیده اید. ماده تاریک، ماده ای مرموز و ناشناخته می باشد که تمامی جهان از آن نشات گرفته است. این نشات گیری جهانی از سلول های بدن انسان تا ابر خوشه های آسمانی  را شامل می شود. پس محدود به زمین و آسمان ها نیست. اما این ماده شگفت انگیز چیست و از کجا آمده است ؟ اصلا دانشمندان از کجا تشخیص دادن که کیهان از این ماده تشکیل شده است؟ با ما همراه باشید تا با این ماده ی کیهانی یه طور کامل آشنا شویم.

تاریخچه ی ماده تاریک (ماده کیهان)

به ماده  تاریک، ماده ی کیهان می گویند. دلیل این نامگذاری هم کاملا مشخص است، زیرا کل کیهان از ماده تاریک ساخته و حتی نشی گرفته است. نکته ی جالب اینجاست که هنوزهیچ دانشمندی نمی داند که دقیقا ماده تاریک چیست. در واقع تمام اندیشمندان فقط تئوری هایی درباره ی این ماده دارند. اغلب دانشمندان می گویند که ماده تاریک آمده تا جرمی را توضیح دهد‌. اما منظور از این جمله چیست؟ مقاله ی امروز در واقع حول توضیح همین جمله می چرخد.

اولین باری که ماده ی تاریک کشف شد در سال ۱۹۳۲ بود. در این سال یکی از اندیشمندان هلندی کار جالبی کرد و آمد و سرعت حرکت کهکشان راه شیری را اندازه گرفت و متوجه شد که جرم کهکشان با سرعت آن همخوانی ندارد، یعنی در واقع ماده ای وجود دارد که همخوانی جرم و سرعت راه شیری را برهم میزند. که این ماده امروزه به عنوان ماده تاریک یاد می شود. بعد از این اندیشمند نظریه های متفاوت دیگری نیز برای تاریخچه ی ماده تاریک  ارائه شد، که در ادامه با آن ها بیشتر آشنا می شویم.

بسیاری از دانشمندان می گویند که کهکشان های مارپیچی شکل (مانند کهکشان راه شیری که ما در آن زندگی می کنیم.) با سرعت بالایی در حال چرخش می باشند. در این کهکشان ها هزاران ستاره و سیاره وجود دارد. اما این ستاره ها و سیارات هرگز با وجودش چرخش با سرعت بالا از داخل کهکشان به فضای میان کهکشانی پرتاب نمی شوند. برای درک بهتر رابطه ی ستاره با کهکشان ها فردی را تصور کنید که بدون کمربند سوار یکی بازی های چرخشی شهربازی با سرعت زیاد شده است. بدون شک او بعد از لحظاتی به بیرون محیط بازیِ چرخشی پرتاب می شود.

در حالت عادی ستاره ها و کهکشان ها هم باید به همین شکل باشند و در حین چرخش کهکشان، ستاره ها به بیرون پرتاب شوند. اما همان طور که می دانیم پرتاب نمی شوند! اما چرا؟ دلیل این پرتاب نشدن ستاره ها از کهکشان ها همان ماده ی مرموزِ تاریک است. این ماده جاذبه ای خاص دارد که همه ی خلقت را در سر جای خود ثابت نگه می دارد. نکته ی جالب درباره ی ماده ی تاریک این است که حتی جایی که ما به عنوان خلع عنوان می کنیم سرشار از ماده ی تاریک است. این ماده در همه ی هستی وجود دارد و چون هیچ گونه نوری از خود بیرون نمی دهد به آن ماده سیاه نیز گفته می شود.

دومین زمانی که منجر به کشف ماده ی تاریک شد در زمان کشف مناطقی بود که چگالی شان از حد متوسط کمی زیاد تر بود. در این زمان  فهمیدن جرم عالم که شامل من و شما و همه ی انسان ها و همه ی کهکشان ها و خوشه ها و به طور کلی هر آنچه وجود دارد، می شود فقط ۹.۴ درصد از جرم هستی را شامل می شوند. یعنی هر آنچه وجود دارد تنها و تنها زیر ده درصد از جرم از وزن جرمی هستی را تشکیل می دهند. پس جرم هستی کجاست؟ حدس میزنند در حدود ۸.۲۶ درصد از وزن جرمی را ماده ی تاریک تشکیل می دهد و بیش از 80 درصد از وزن جرمی جهانی مربوط به ماده ای حتی بسیار مرموزتر از ماده ی تاریک به اسم انرژی تاریک می باشد.

نظریه ی ماده ی تاریک

قبل از اینکه نظریات ماده ی تاریک را بفهمیم خوب است بدانید که کهکشان ها علاوه حرکت چرخشی که در پیشتر هم درباره ی آن توضیح دادیم در خوشه ها نیز حرکت می کنند. حرکت این محدوده های چگال با این سرعت بالا و بدون فروپاشی نیازمند یک توضیح فیزیکی اساسی است که بر مبنای این توضیح ماده تاریک یا همان ماده کیهانی شکل می‌گیرد. در ادامه با این نظریات به طور کامل آشنا می شویم.

نظریه ی اولی که پیدایش و وجود ماده تاریک را توضیح می دهد سیاهچاله ها است. در واقع دانشمندان می گویند ماده تاریک از سیاهچاله های کوچکی تشکیل شده است که از فروپاشی مهبانگ باقی مانده اند. در واقع ماده ی تاریک باقی مانده های سیاهچاله هایی است که تنها ثانیه هایی پس از انفجار خلق شده اند. حدس زده می شود این سیاهچاله ها جرمی به اندازه ی سیاره ی مشتری دارند. این سیاهچاله ها فاصله ی زیادی از زمین دارند و گفته می شود که حتی نزدیک ترین آن ها به ما سی سال نوری فاصله دارد. این موضوعِ فاصله از زمین کمی این نظریه را به خطر انداخته است.

دومین نظریه ای که می تواند ماده ی تاریک را توضیح دهد وجود یک ذره ی زیر اتمی ناشناخته است. در واقع محققان فیزیک می گویند که علاوه الکترون و پروتون و نوترون ها یک ذره ی دیگری نیز وجود دارد که تابه حال کشف نشده است و جنس ماده تاریک از این ذره می باشد. تا به حال درباره ی این ذرات اطلاعات کمی به دست رسیده است که در ادامه با دو تا از این ذرات که آکسیون و ویمپ نام دارند آشنایی شویم.

با آکسیون شروع می کنیم. دانشمندان پس از تحقیقاتی فهمیدیدند که علاوه بر جاذبه ی الکترون ها و پروتون ها به هم باید نیروی دیگری وجود داشته باشد که اتم را به دور هم منسجم نگه دارد. این ذره ی احتمالی آکسیون است که جرم کمی دارد ولی به تعداد بسیار زیاد وجود دارد. از این ذره با نام آکسیون بوده می شود. حدس می زنند ذره ی آکسیون بعد از انفجار مهبانگ و در کسری از ثانیه به وجود آمده باشند و سپس به تعداد بسیار زیاد در جهان پخش شده است. در واقع آکسیون همان ماده ای است که از کوچکترین واحد که اتم نام دارد تا بزرگترین واحد که خوشه ها هستند از این ذره ی زیر اتمی تشکیل شده است و ماده تاریک در واقع آکسیون می باشد.

ذره ی بعدی ویمپ ها هستند. ویمپ ها ذراتی هستند که در پی سه تئوری کشف شدند. تئوری اول در با موشوافی ذرات زیر اتمی زنون و سیلیسیم داده شد. به این کشف آشکارسازی مستقیم می گویند.  تئوری بعدی که موجب کشف ویمپ ها شد نوعی کشف به نام آشکار سازی غیر مستقیم بود. در آشکارسازی غیر مستقیم ماده به هیچ وجه نمایان نمی شود اما با ایت وجود از ماده انتشار نوری ساطع می شود، که وجودش را اثبات می کند. گاهی هم گرمایی آزاد می شود که حدس میزنند این ذرات ویمپ ها یا همان ماده تاریک باشند. تئوری سوم هنوز به طور کامل بیان نشده است که آن را بگوئیم.

بیشتر بخوانید: محققان سیا‌ه‌چاله‌هایی را شناسایی کردند که ستاره‌های نوترونی را می‌بلعند

توضیح بیشتر درباره ی ماده ی تاریک

اولین چیزی که باید با ماده تاریک توضیح داده شود‌. کهکشان راه شیری است. دانشمندان فیزیک کوانتوم براین باورند که کهکشان را شیری یک ابر چرخان عظمی است که بخش وسیع آن از ماده تاریک و بخش اندکی از آن از ماده ی های معمولی و روال تشکیل شده است. ارتباط بین شکل گیری کهکشان راه شیری و ماده تاریک به این صورت می باشد که در شروع تشکیل کهکشان راه شیری خاصیت نیروی جاذبه ی ماده تاریک موجب جمع شدن کلی ماده عادی به دور هم شده است که سر انجام کهکشان راه شیری را تشکیل داده است.

در این حین تشکیل به نقاط اطراف شکل گیری کهکشان، نیروی جاذبه ی بیشتری وارد شده است و به اطراف آن نیروی کمتری وارد شده است که این موضوع موجب شده است بخشی از ماده ی معمولی در وسط کهکشان که نیروی جاذبه کمتر است به صورت آزاد و بدون تراکم باشد که نهایتا ستاره ها و منظومه ها و هر آنچه به صورت آزاد در کهکشان هست را ساخته اند.

 نکته ی گفتنی درباره ی ماده تاریک و ارتباطش با کهکشان راه شیری این می باشد که این ماده چون از خود نوری ساطع نمی کند پس انرژی هم از دست نمی دهد در نتیجه باید با ماده ی دیگری ترکیب شود تا بتواند کهکشان ها و عالم را بسازد. بسیاری از افراد می گویند که ماده تاریک به صورت یک ابر چگال و نامعلوم در همه جای کیهان پخش شده است.

به غیر ازبحث کهکشان راه شیری بعد از ورود موضوع ماده تاریک، اندیشمندان جهان برای وجود این ماده مشکلات احتمالی ای را حدس زدند. از جمله ی این مشکلات ناشناخته بودن این ماده است که باوجود حدسیاتی که درباره ی وجود ذرات اتمی آکسیون و ویمپ میزنند اما وجود ذره ای به نام نوترالینو این معادلات را تا حدودی بر هم می زند. بعد از کشف این ذره می گویند که ماده تاریک از جنس نوترالینو است اما با این حال هنوز هم هیچ نتیجه ی قطعی ای در این زمینه به دست نیامده است.

یکی از دانشمندان بزرگی که برای مشکلات ماده ی تاریک نظریه ارائه داده است، لیزا رندال نام دارد. او و همکارانش طرحی را ارائه داده اند که نتیجه ی این طرح نهایتا یک کتاب به اسم راهرو های پیچ خورده است. در ادامه شما را با این کتاب آشنا می کنیم. ماده تاریک که در کتاب رندال از آن یاد شده است ، یک ماده ای می باشد که هم می تواند با خودش و هم با جهان پیرامون می تواند تعامل داشته باشد. ( بعصی ها می گویند ماده تاریک فقط با خودش در ارتباط است). بر طبق حرف رندال ذرات زیر اتمی نام برده تا به اینجای مقاله هیچکدام از جنس ماده تاریک نبوده اند.

قابل ذکر است که حتی کتاب رندال هم با وجود ماهرانه بودنش نتوانسته به طور مطلق ماده تاریک را اثبات کند. تا به حال بیش از چهل تئوری برای ماده تاریک گفته شده است. در یکی از این تئوری ها از ماده تاریک به عنوان پادماده یاد شده است. یعنی ماده ای ضد ماده. پاد ماده، ماده ای است که در عین ماده بودن ولی حالت یک ماده ی عادی و را ندارد، پس خصوصیات ماده ی شناخته ی ما برای آن تعبیر نمی شود.

دومین تئوری که موجب آشکار سازی ماده تاریک شد ذره ی نوترالینو بود که پیشتر هم درباره ی آن صحبت کردیم. سایرذرات گفته شده نظیر آکسیون ها و ویمپ ها نیز تئوری به خصوص خود را دارند. یکی دیگر از نظراتی که ماده تاریک را توجیه می کند همان نظریه ی کهکشان ها است.  همه ی کهکشان ها در چرخش به دور خود نیستند و برخی ها مانند راه شیری با سرعت بالا مانند چرخ الافک می چرخند. ماده ی گمشده ای که از آن به عنوان ماده تاریک می شود این حرکت چرخ الافلکی  را توضیح می دهد.

این دو مورد از تئوری ها چهل مورد بود. بازهم ستاره شناسان نظریات فراوانی درباره ی ماده تاریک داده اند که در مقالات آینده درباره ی آن ها بیشتر حرف می زنیم. خوب است در انتها بدانید سایر تئوری ها هم درباره ی ماده تاریک فقط یک فرضیه یا در بهترین حالت یک نظریه است و هیچ چیز هنوز ثابت شده نیست. شما هم اگر از دوست داران علم نجوم باشید شاید از اشخاصی باشید که تئوری های آینده ی ماده ی تاریک را می سازند و می گویند. پس علاقه تان را دنبال کنید و از دانشمندان باشید!