ايتنا - انرژی تاریک چیست؟ ماده تاریک چیست؟

در اوایل دهه ۱۹۹۰، یک چیز در مورد انبساط جهان کاملاً قطعی بود. با اینکه ممکن است کیهان چگالی انرژی کافی برای متوقف کردن انبساط و فروپاشی خود را داشته باشد و آنقدر هم چگالی انرژی کیهان پایین باشد که انبساط آن هرگز متوقف نشود؛ اما مطمئناً با گذشت زمان، گرانش میزان انبساط را کاهش می‌دهد. جهان پر از ماده است و نیروی جاذبه همه اجسام را به طرف هم می‌کشد.

سپس سال ۱۹۹۸ و رصدهای تلسکوپ فضایی هابل (HST) از ابرنواخترهای بسیار دور فرا رسید که نشان می‌داد مدت‌ها پیش، جهان در واقع کندتر از امروز منبسط می‌شده است. بنابراین آنطور که همه فکر می‌کردند، گرانش انبساط جهان را کند نکرده بود، بلکه شتاب این انبساط بیشتر هم شده بود. هیچ کس انتظار این را نداشت و کسی نمی‌دانست چگونه باید آن را توضیح داد. اما حتماً دلیلی برای آن وجود داشت.

به گزارش ایتنا و به نقل از ناسا، در نهایت نظریه‌پردازان سه نوع توضیح مطرح کردند. شاید این نتیجه نسخه‌ای از نظریه گرانش اینشتین بود که مدت‌ها بود که کنار گذاشته شده بود و در این نظریه چیزی با نام «ثابت کیهانی» وجود داشت. شاید نوعی مایع پرانرژی عجیب وجود داشته باشد که فضا را پر کرده است.

شاید مشکلی در نظریه گرانش اینشتین وجود داشته باشد و یک نظریه جدید شامل میدانی باشد که این شتاب کیهانی را ایجاد می‌کند. نظریه‌پردازان هنوز هم نمی‌دانند توضیح صحیح چیست، اما راه‌حل احتمالی را نام‌گذاری کرده‌اند و به آن انرژی تاریک می‌گویند.

در این مورد، بیشتر از آنچه که بدانیم، در واقع نمی‌دانیم. ما می‌دانیم که چقدر انرژی تاریک وجود دارد؛ زیرا می‌دانیم که چگونه بر انبساط جهان تأثیر می‌گذارد. بجز این، دیگر چیزی نمی‌دانیم. به نظر می‌رسد که تقریباً ۶۸ درصد از جهان را انرژی تاریک تشکیل می‌دهد. ماده تاریک نیز حدود ۲۷ درصد را تشکیل می‌دهد. مابقی – یعنی هرچه که روی زمین وجود دارد و همه چیزهایی که تا به حال با همه ابزارهای خود رصد کرده‌ایم - کمتر از ۵ درصد از جهان را تشکیل می‌دهند.

این نمودار تغییرات نرخ انبساط را از زمان تولد جهان در ۱۵ میلیارد سال پیش نشان می‌دهد. هرچه منحنی کم عمق‌تر باشد، سرعت انبساط بیشتر است. می‌بینیم که این منحنی حدود ۵؍۷ میلیارد سال پیش به طرز محسوسی شروع به تغییر کرده است؛ یعنی زمانی که اجرام جهان با سریع‌تر از هم جدا شدند. ستاره‌شناسان این نظریه را مطرح می‌کنند که سرعت فزاینده انبساط کیهان، به دلیل نیروی مرموز و تاریکی است که کهکشان‌ها را از هم جدا می‌کند.

یک توضیح برای انرژی تاریک این است که یکی از ویژگی‌های فضاست. آلبرت انیشتین نخستین کسی بود که متوجه شد فضای خالی و تهی می‌تواند وجود داشته باشد. فضا دارای خواص شگفت‌انگیزی است که به‌تازگی به برخی از آنها پی برده‌ایم. نخستین خاصیتی که انیشتین کشف کرد این بود که امکان به وجود آمدن فضای بیشتر وجود دارد.

سپس یک نسخه از نظریه گرانش اینشتین، یعنی نسخه‌ای که حاوی ثابت کیهانی است، دومین پیش‌بینی را انجام می‌دهد: «فضای خالی» می‌تواند انرژی داشته باشد. از آنجایی که این انرژی از ویژگی‌های خود فضاست، با گسترش فضا رقیق نمی‌شود. با به وجود آمدن فضای بیشتر، مقدار بیشتری از این انرژی فضا پدیدار می‌گردد. در نتیجه، این شکل از انرژی باعث می‌شود که جهان سریع‌تر و سریع‌تر منبسط شود.

این تصویر توزیع ماده تاریک، کهکشان‌ها و گاز داغ را در هسته خوشه کهکشانی Abell 520 نشان می‌دهد. نتیجه می‌تواند نظریه‌های اساسی ماده تاریک را به چالش بکشد.

توضیح دیگر راجع به انرژی فضا از نظریه کوانتومی ماده نشأت می‌گیرد. در این نظریه، «فضای خالی» در واقع مملو از ذرات موقتی (مجازی) است که به طور مداوم شکل می‌گیرند و سپس ناپدید می‌شوند. اما زمانی که فیزیکدانان سعی می‌کردند محاسبه کنند که این انرژی چقدر فضای خالی بدست می‌دهد، به پاسخ اشتباه رسیدند. عدد حاصل با رقم ۱شروع می‌شد و ۱۲۰ صفر پس از آن می‌آمد؛ خیلی بزرگ بود.

توضیح دیگر برای انرژی تاریک این است که نوع جدیدی از سیال یا میدان انرژی دینامیکی است؛ چیزی که تمام فضا را پر می‌کند اما تأثیر آن بر انبساط کیهان، عکس اثر ماده و انرژی معمولی است. برخی از نظریه‌پردازان آن را «اثیر» نام نهاده‌اند که برگرفته از عنصر پنجم فیلسوفان یونانی است. اما، اگر پاسخ همین اثیر باشد، هنوز نمی‌دانیم که چگونه چیزی است، با چه چیزی در تعامل است، یا اصلاً چرا وجود دارد.

آخرین احتمال این است که نظریه گرانش اینشتین صحیح نباشد. این امر نه تنها بر انبساط کیهان تأثیر می‌گذارد، بلکه بر نحوه رفتار ماده عادی در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی نیز اثر‌گذار است. بنابراین این بحث مطرح می‌شود که آیا راه‌حل مسئله انرژی تاریک، ارائه یک نظریه گرانش جدید است یا نه. ما می‌توانیم مشاهده کنیم که کهکشان‌ها چگونه در خوشه‌ها گرد هم می‌آیند.

اما اگر معلوم شود که یک نظریه جدید در زمینه گرانش مورد نیاز است، چه نوع نظریه‌ای خواهد بود؟ چگونه می‌تواند به درستی حرکت اجسام در منظومه شمسی را توصیف کند و همچنان پیش‌بینی‌های متفاوتی برای جهان ما ارائه دهد؟ چند تئوری‌های وجود دارند، اما هیچ کدام قانع‌کننده نیستند.

چیزی که برای تصمیم‌گیری بین نظریه‌های انرژی تاریک نیاز داریم، داده‌های بیشتر و بهتر است.

دانشمندان با تطبیق یک مدل نظری از ترکیب جهان به مجموعه مشاهدات کیهان‌شناسی ترکیبی را که در بالا توضیح دادیم، یعنی ۶۸ درصد انرژی تاریک، ۲۷ درصد ماده تاریک و ۵ درصد ماده نرمال به دست آورده‌اند. اما ماده تاریک چیست؟

ما خیلی بیشتر از آنکه مطمئن باشیم ماده تاریک چیست، می‌دانیم که چه نیست. آنکه می‌دانیم تاریک است؛ یعنی به شکل ستاره‌ها و سیاراتی که می‌بینیم نیست. مشاهدات نشان می‌دهند که ماده قابل مشاهده در جهان بسیار کم است و حداکثر ۲۷ درصد از مشاهدات ما را تشکیل می‌دهد.

دوم اینکه به شکل ابرهای تیره از ماده معمولی، (یعنی ماده‌ای که از ذراتی به نام باریون تشکیل شده است) نیست. ما این را می‌دانیم؛ زیرا می‌توانیم ابرهای باریونی را با جذب پرتوهای عبوری از آنها تشخیص دهیم. سوم اینکه ماده تاریک پادماده نیست؛ زیرا ما پرتوهای گامای منحصربفردی را که هنگامی که ماده باعث نابودی پادماده، نمی‌بینیم.

در نهایت، بر اساس تعداد لنزهای گرانشی که می‌بینیم، می‌توانیم سیاهچاله‌های بزرگ در حد و اندازه کهکشانی را نیز رد کنیم و آنها را ماده تاریک قلمداد نکنیم. در واقع، غلظت‌های بالای ماده باعث می‌شود تا این اجرام پرجرم، نوری عبوری را خم کنند، ولی رویدادهای عدسی‌دهی کافی نمی‌بینیم که نشان دهد چنین اجسامی ۲۵ درصد سهم ماده تاریک مورد نیاز را تشکیل می‌دهند.

با این حال، در این مرحله هنوز چند نظریه برای توضیح ماده تاریک وجود دارند که با یکدیگر رقابت می‌کنند. اگر ماده تاریک به صورت کوتوله‌های قهوه‌ای یا در قطعات کوچک و متراکم عناصر سنگین گره خورده باشد، ماده باریونی می‌تواند آن را بسازد. این احتمالات با عنوان «اجسام هاله فشرده عظیم» یا MACHO شناخته می‌شوند. اما رایج‌ترین دیدگاه این است که ماده تاریک به هیچ‌وجه باریونی نیست؛ بلکه از ذرات عجیب و غریب دیگری مانند آکسیون‌ها WIMPS (یا ذرات پرجرم با تعامل ضعیف) تشکیل شده است.

پژوهشگران وقتی کهکشان NGC 1052-DF2 را کشف کردند و دیدند که بیشتر (اگر نگوییم همه) ماده تاریک خود را از دست داده است، بسیار شگفت‌زده شدند.

اکتشافات اخیر

۱ فوریه ۲۰۲۲: می‌توان ماده تاریک را در منظومه شمسی اندازه‌گیری کرد

۱۷ ژوئن ۲۰۲۱: ماده تاریک گمشده در کهکشان رازآلودتر شد

۲۶ نوامبر ۲۰۲۰: داده‌های جدید تلسکوپ هابل، ماده تاریک گمشده در NGC 1052-DF4 را توضیح داد

۲۱سپتامبر ۲۰۲۰: به مازاد ماده تاریک کهکشان NGC 5585 پی برده شد

۱۰ سپتامبر ۲۰۲۰: داده‌های هابل نشان دادند که یک عنصر در نظریه‌های ماده تاریک کنونی ناپدید شده است

۱۰ مارس ۲۰۲۰: برای نقشه‌برداری از ماده تاریک که کیهان را به هم پیوند می‌دهند، از شبیه‌سازی‌های قالب اسلایم استفاده شد

۸ ژانویه ۲۰۲۰: تلسکوپ هابل کوچکترین توده‌های ماده تاریک شناخته شده را شناسایی کرد