سوال‌هایی بی‌پاسخ دربارۀ «مادۀ تاریک»

اول صبح؛ در دهه ۱۹۳۰، یک ستاره‌شناس سوئیسی به نام فریتز زویکی متوجه شد کهکشان‌های یک خوشۀ دور با توجه به مقدار جرم مرئی که دارند، بسیار سریع‌تر از آنچه که باید، به دور یکدیگر می‌چرخند. فرض او این بود که یک ماده نادیده، که او آن را ماده تاریک (dark matter) نامید، ممکن است به صورت گرانشی روی این کهکشان‌ها کشیده شده باشد.

از آن زمان، محققان تایید کرده‌اند که این ماده‌ی مرموز را می‌توان در سراسر کیهان یافت و این که این ماده شش برابر فراوان‌تر از ماده معمولی است که چیزهای معمولی مانند ستارگان و افراد را شکل می‌دهد. با این حال، با وجود تشخیص ماده تاریک در سراسر جهان، هنوز فکر دانشمندان درگیر آن است. در ادامه، ۱۱ پرسش بی‌پاسخ درباره ماده تاریک را می‌خوانید.

ماده تاریک چیست؟

نخستین و شاید گیج‌کننده‌ترین ابهام این است که محققان مطمئن نیستند ماده تاریک دقیقا چیست. برخی دانشمندان حدس زدند این جرم گمشده در کیهان از سیاه‌چاله‌ها و ستارگان کم‌نور تشکیل شده، هرچند در مشاهدات دقیق، این اجسام به قدر کافی نمودار نشدند تا تأثیر ماده تاریک را توجیه کنند. رقیب اصلی کنونی برای تعیین هویت ماده تاریک، ذره‌ای فرضی به نام «ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف» یا WIMP است که به نوعی مانند یک نوترون رفتار می‌کند، جز اینکه بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از یک پروتون است. با این حال، این حدس فقط منجر به پرسش‌های بیشتر شده است که در ادامه میخوانید.

آیا می‌توانیم ماده تاریک را شناسایی کنیم؟

اگر ماده تاریک از WIMPها ساخته شده باشد، باید در تمام اطراف ما باشد، نامرئی و به سختی قابل‌تشخیص. پس چرا هنوز اثری از آن نیافته‌ایم؟ در حالی که آن‌ها با ماده معمولی برهم‌کنش چندانی ندارند، اما همیشه احتمال کمی وجود دارد که یک ذره ماده تاریک بتواند با یک ذره معمولی مانند پروتون یا الکترون هنگام حرکت در فضا برخورد کند. بنابراین، محققان آزمایش‌های زیادی برای مطالعه تعداد زیادی از ذرات معمولی در اعماق زمین انجام داده‌اند، جایی که در برابر تشعشعات مزاحمی که می‌توانند برخورد ذره-ماده تاریک را تقلید کنند، محافظت میشوند. اما مشکل کجاست؟ پس از دهه‌ها جستجو، هیچ یک از این ردیاب‌ها به کشف معتبری دست نیافتند. هایبو یوو، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا گفته است که به نظر می‌رسد ذرات ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMPهای فرضی هستند یا فاقد خواصی هستند که مطالعه آن‌ها را آسان کند.

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

ماده معمولی از ذرات روزمره مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها و همچنین فهرست کاملی از ذرات عجیب و غریب‌تر مانند نوترینو، موآن و پیون تشکیل شده است. بنابراین، برخی محققان تصور می‌کنند ماده تاریکی که ۸۵ درصد ماده جهان را تشکیل می‌دهد، شاید به همان اندازه پیچیده باشد. آندرِی کاتز، فیزیکدان دانشگاه هاروارد می‌گوید: «دلیل خوبی برای این فرض وجود ندارد که تمام ماده تاریک جهان از یک نوع ذره ساخته شده است.» پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند تا اتم‌های تاریک را شکل دهند و پیکربندی‌هایی به اندازه جهان مرئی، متنوع و جالب ایجاد کنند. چنین پیشنهاداتی به طور فزاینده در آزمایشگاه‌های فیزیک تصور شده‌اند، اما تا کنون راهی برای تایید یا رد آن‌ها به ذهن دانشمندان خطور نکرده است.

آیا نیروهای تاریک وجود دارند؟

به علاوه ذرات اضافی ماده تاریک، این احتمال وجود دارد که ماده تاریک، نیروهایی مشابه آنچه توسط ماده معمولی احساس می‌شود، تجربه کند. برخی محققان به دنبال «فوتون‌های تاریک» بوده‌اند که مانند فوتون‌های مبادله‌شده میان ذرات معمولی هستند که نیروی الکترومغناطیسی بوجود می‌آورند با این تفاوت که فقط توسط ذرات ماده تاریک احساس می‌شوند.

آیا ماده تاریک می‌تواند از آکسیون‌ها ساخته شود؟

فیزیکدانان به طور روزافزونی علاقه‌شان را به WIMPها از دست داده‌اند، اما به ذرات فرضی دیگر در توضیح ماده تاریک علاقه‌مند شده‌اند. یکی از جایگزین‌های به‌روز، ذره‌ای فرضی به نام آکسیون است که بسیار سبک در نظر گرفته می‌شود. اکنون در چند آزمایش مختلف دانشمندان در جستجوی آکسیون‌ها هستند. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای اخیر این احتمال را افزایش داده‌اند که این آکسیون‌ها می‌توانند اجرام ستاره‌مانندی ایجاد کنند که ممکن است تشعشعات قابل‌تشخیصی تولید کنند، کاملاً شبیه پدیده‌های اسرارآمیز معروف به انفجارهای سریع رادیویی.

ویژگی‌های ماده تاریک چیست؟

ستاره‌شناسان ماده تاریک را از طریق فعل و انفعالات گرانشی آن با ماده معمولی کشف کردند، یعنی این روش اصلی آن برای نشان دادن حضور خود در جهان است. اما محققان هنگام تلاش برای درک ماهیت واقعی ماده تاریک، چیز قابل‌توجهی برای ادامه دادن ندارند. طبق برخی نظریه‌ها، ذرات ماده تاریک باید پادذره خودشان باشند، به این معنا که دو ذره ماده تاریک هنگام برخورد با یکدیگر با هم از بین می‌روند. آزمایش طیف‌سنج مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی از سال ۲۰۱۱ به دنبال نشانه‌های آشکار این نابودی بوده و تاکنون صدها هزار رویداد را شناسایی کرده است. اما دانشمندان هنوز مطمئن نیستند آیا اینها از ماده تاریک می‌آیند یا خیر و سیگنال هنوز به آن‌ها کمک نکرده چیستی ماده تاریک را دقیقاً تعیین کنند.

آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد؟

از آنجا که ماده تاریک بسیار سنگین‌تر از ماده معمولی است، معمولاً گفته می‌شود ماده تاریک نیروی کنترل‌کننده‌ای است که ساختارهای بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را سازماندهی می‌کند. بنابراین، اوایل سال جاری، عجیب بود وقتی اخترشناسان اعلام کردند کهکشانی به نام NGC 1052-DF2 را یافته‌اند که به نظر می‌رسد به سختی حاوی ماده تاریک باشد. پیتر ون داکوم از دانشگاه ییل گفته است: «ظاهراً ماده تاریک برای تشکیل کهکشان الزامی نیست.» با این حال، در طول تابستان، یک تیم جداگانه تجزیه و تحلیلی را منتشر کرد که نشان می‌داد تیم ون داکوم، فاصله تا کهکشان را اشتباه اندازه‌گیری کرده است، به این معنا که ماده مرئی آن بسیار تیره‌تر و سبک‌تر از یافته‌های اولیه بود و بیشتر جرم آن، بیشتر از آن چیزی که قبلاً پیشنهاد شده بود، حاوی ماده تاریک بود.

نتایج DAMA/LIBRA چه بود؟

یک راز دیرینه در فیزیک ذرات، نتایج گیج‌کننده‌ی یک آزمایش اروپایی به نام DAMA/LIBRA است. این ردیاب واقع در یک معدن زیرزمینی زیر کوه گران ساسو (Gran Sasso) در ایتالیا، به دنبال یک نوسان دوره‌ای در ذرات ماده تاریک بوده است. این نوسان باید حین حرکت زمین در مدارش به دور خورشید ایجاد شود؛ یعنی در حین قرار گرفتن در جریان کهکشانی ماده تاریک که اطراف منظومه شمسی وجود دارد و گاهی «باد مادۀ تاریک» نامیده می‌شود. از سال ۱۹۹۷، DAMA/LIBRA ادعا کرده که دقیقاً این سیگنال را می‌بیند، اگرچه هیچ آزمایش دیگری چنین چیزی را مشاهده نکرده است.

آیا ماده تاریک می‌تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

سیگنالی از آغاز زمان، برخی فیزیکدانان را به این موضوع سوق داده که ممکن است ماده تاریک دارای بار الکتریکی باشد. تنها ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ، تشعشعاتی با طول موج ۲۱ سانتی‌متر از سوی ستارگان در دوران کودکی جهان منتشر شدند. سپس توسط هیدروژن سردی که همان زمان وجود داشت جذب شدند. وقتی این تشعشع در فوریه سال جاری شناسایی شد، اثر آن نشان داد هیدروژن بسیار سردتر از آن چیزی است که دانشمندان پیش‌بینی کرده بودند. جولیان مونوز اخترفیزیکدان دانشگاه هاروارد این فرضیه را مطرح کرد که ماده تاریک با یک بار الکتریکی می‌تواند گرما را از هیدروژن فراگیر دور کند، چیزی شبیه مکعب‌های یخ شناور در لیموناد، اما این حدس هنوز تایید نشده است.

آیا ذرات معمولی می‌توانند به ماده تاریک تجزیه شوند؟

نوترون‌ها ذرات ماده منظم با طول عمر محدود هستند. پس از حدود ۱۴.۵ دقیقه، یک نوترون تنهای رهاشده از اتم به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو تجزیه می‌شود. اما طبق آزمایش‌هایی که در مطالعه جولای در مجله Physical Review Letters منتشر شد، دو آزمایش مختلف، طول عمر اندکی متفاوت را برای این فروپاشی نتیجه دادند، با اختلاف حدود ۹ ثانیه بین آن‌ها. اوایل سال جاری، فیزیکدانان پیشنهاد کردند اگر ۱ درصد مواقع، برخی نوترون‌ها به ذرات ماده تاریک تجزیه شوند، می‌تواند دلیل این ناهنجاری باشد. کریستوفر موریس از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو و تیمش، نوترون‌ها را برای سیگنالی که بتواند ماده تاریک باشد در نظر گرفتند، اما نتوانستند چیزی را شناسایی کنند. طبق مطالعه آن‌ها، سناریوهای نابودی دیگر هنوز ممکن است محتمل باشند.

آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

با توجه به مشکلاتی که دانشمندان در تلاش برای کشف و توضیح ماده تاریک با آن‌ها مواجه شده‌اند، یک پرسشگر منطقی شاید از خود بپرسد که نکند همۀ این فرضیات دربارۀ ماده تاریک اشتباه باشد. سال‌هاست، اقلیتی از فیزیکدانان این ایده را مطرح کرده‌اند که شاید نظریه‌های گرانش ما نادرست باشند و نیروی بنیادی در مقیاس‌های بزرگ، متفاوت از آنچه ما انتظار داریم کار کند. این پیشنهادات که معمولاً «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» یا مدل‌های MOND نامیده می‌شوند، بیان می‌کنند که ماده تاریکی وجود ندارد و سرعت‌های فوق‌العاده‌ای که ستاره‌ها و کهکشان‌ها به دور یکدیگر می‌چرخند، نتیجه رفتارهای گرانش به روشهای شگفت‌انگیز است. دان لینکلن فیزیکدان، گفته است: «ماده تاریک هنوز یک مدل تاییدنشده است.» با این حال، منتقدان هنوز باید حوزه وسیع‌تر ایده‌هایشان را ثابت کنند. آخرین مدرک چیست؟ آخرین مدرک حاکی از آنست که ماده تاریک واقعی است.