کیهان مرموزتر شد/ ماجرای حیرت دانشمندان از کشف یک کهکشان بدون ماده تاریک چیست؟

به طور مثال به‌تازگی گروهی از ستاره‌شناسان دانشگاه خرونینگن هلند، از شناسایی کهکشان‌هایی که عاری از ماده تاریک هستند، خبر دادند. همین کشف تازه موجب شده کیهان شناسان و فیزیک دانان سراسر دنیا، سردرگم شوند و از خود بپرسند که آیا این کشف می‌تواند با سال‌ها نظریه پردازی درباره ماده تاریک در تضاد باشد؟ ماده تاریک(Dark Matter) نوعی از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان شناسی ارائه شده تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است. دانشمندان معتقدند که ماده تاریک به عنوان چسبی عمل می‌کند که کهکشان‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد. ماجرا از این قرار است که جرم موجود در کهکشان ها برای این که از فروپاشی آن ها جلوگیری کند کافی نیست و جاذبه قدرتمند دیگری برای حفظ پایداری کهکشان ها نیاز است، در کنار این موضوع، خم خوردگی نور در کیهان حاکی از وجود یک ماده قوی است که جاذبه اش هم کهکشان ها را از فروپاشی حفظ می کند هم نور را منحرف می کند که به آن ماده تاریک می گویند. با این اوصاف وجود ماده تاریک ثابت می شود اما به تازگی ستاره‌شناسی در موسسه نجوم هلند یعنی «فیلیپو فراترنالی» و همکارانش، کهکشان مرموزی به نام AGC 114905 را کشف کردند که هیچ اثری از ماده تاریک در آن پیدا نیست. AGC 114905 یک کهکشان ابر کوتوله است که در فاصله ۲۵۰ میلیون سال نوری از ما قرار دارد و تقریبا به اندازه کهکشان راه شیری ماست اما هزار برابر ستاره‌های کمتری دارد. ایده غالب این است که همه کهکشان‌ها به ویژه کهکشان‌های ابرکوتوله تنها در صورتی می‌توانند وجود داشته باشند که توسط ماده تاریک کنار هم نگه داشته شوند. ستاره شناسان هلندی با وجود انجام اندازه‌گیری‌های دقیق و عملیات رصد برای بیش از 40 ساعت با استفاده از تلسکوپ‌های پیشرفته، هیچ اثری از ماده تاریک در این کهکشان پیدا نکردند. به گفته دانشمندان، ماده تاریک AGC 114905 ممکن است توسط کهکشان‌های بزرگ مجاور از بین رفته باشد. اکنون محققان در حال بررسی جزئیات یک کهکشان کوتوله فوق پراکنده دیگری هستند. اگر محققان ردی از ماده تاریک در آن جا هم پیدا نکنند، شواهد کهکشان‌های عاری از ماده تاریک قوی‌تر می‌شود. حالا سوال این است که آیا کهکشان AGC 114905 و کهکشان‌هایی مانند آن وجود مشکل یا مشکلاتی را در تئوری‌های رایج ماده تاریک نشان می‌دهد؟ هنوز برای دانستن پاسخ این سوال، زود است زیرا تحقیقات بیشتری باید با استفاده از تلسکوپ‌های فضایی انجام شود اما در پرونده امروز زندگی‌سلام به نکات کمتر شنیده شده‌ای در همین باره اشاره خواهد شد.

کهکشانی رصد شده که ماده تاریک ندارد! خب مگر این ماده تاریک چی هست که اگر در کهکشانی نباشد خبرش صدا می‌کند و دانشمندان تعجب می‌کنند؟ ماده تاریک بخشی عجیب و معماگونه از کیهان است که نامرئی است و طیف نوری ندارد که جنسش شناخته شود. ماده‌ای که هیچ شباهتی به دیگر عناصر موجود در کیهان ندارد و دیده هم نمی‌شود؛ پس از کجا فهمیدیم که وجود دارد و اصلاً کاربردش در کیهان چیست و چرا نبودش این‌قدر عجیب است؟

اولین سرنخ‌ها

اولین سرنخ‌های ماده تاریک در سال 1930 میلادی پیدا شد؛ «فریتس تسوئیکی» دانشمندی بود که روی تعادل کهکشان ها کار می‌کرد و می‌خواست بداند چه عاملی باعث تعادل کهکشان‌هایی که کنار هم قرار گرفته‌اند شده است. اما جرمی که او براساس سرعت و چگونگی حرکت کهکشان‌ها و قوانین نیوتن محاسبه کرد، 400 برابر جرمی بود که بر اساس شدت روشنایی و رصدها، تخمین زده شده بود. پس تسوئیکی به این نتیجه رسید که این جرم نمی‌تواند نیروی گرانش لازم برای خنثی کردن نیروی ناشی از منبسط شدن گازها را ایجاد کند و قاعدتا باید این خوشه متلاشی می‌شد اما چنین اتفاقی نیفتاده، پس حتما باید پای یک عامل ناشناخته در بین باشد. عاملی که «ماده تاریک» یا «ماده ناشناخته» نام گرفت که جرم زیادی دارد اما رصد نمی‌شود و فقط از آثارش پی به‌وجودش می‌بریم.

محاسبات خانم کیهان‌شناس

پس از تسوئیکی، نفر بعدی که گرفتار معمای پر پیچ و خم ماده تاریک شد «ورا روبین» بود. زنی که شیفته آسمان و پرسش‌های بی‌انتهایش بود. او وقت زیادی صرف و سرعت مداری ستارگان در کهکشان‌ها را حساب کرد و به تناقض‌هایی رسید. مثلا این که ستارگان با سرعتی بسیار زیاد به دور مرکز کهکشان می‌چرخیدند و بالطبع کهکشان باید متلاشی می‌شد اما همه چیز کاملا متعادل بود. این مسئله، یکی دیگر از شواهدی بود که وجود ماده تاریک را اثبات می‌کرد. او معتقد بود که ممکن است ماده‌ای نامرئی در داخل و بیرون کهکشان‌ها وجود داشته باشد که گرانش لازم برای جلوگیری از متلاشی شدن کهکشان‌ها را به وجود می‌آورد.

وقتی نور خم می‌شود

وقتی به تصویر خوشه کهکشانی «آبل 1689» که 2.2 میلیارد سال نوری با زمین فاصله دارد، نگاه می کنید متوجه خمیدگی نور در میان تصویر می‌شوید. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که نور از یک چشمه درخشان در فاصله‌ای زیاد به ما برسد و در مسیرش از کنار جسم پرجرمی مثل این کهکشان‌ها بگذرد. به این اجسام که باعث خم شدن نور می‌شوند به اصطلاح «لنز گرانشی» می‌گویند. بر اساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضازمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. سال‌ها پیش از کشف ماده‌ تاریک، اینشتین در نظریه نسبیت عام گفت که نیروی گرانشی می‌تواند نور را خم کند. یعنی جاذبه یک جرم سنگین، حتی روی نور هم تاثیر می‌گذارد. قدرت لنز عظیم گرانشی به جرم آن بستگی دارد، ولی ماده مرئی کهکشان‌های این خوشه فقط یک درصد از جرم مورد نیاز برای پدید آوردن چنین قوسی را شامل می‌شود؛ بنابراین بقیه جرم باید در جایی پنهان باشد تا چنین گرانشی ایجاد کند که نور خم شود. به نظر می‌رسد که منبع گرانش شدید این خوشه کهکشانی، ماده نامرئی تاریک باشد که چنین کمان‌های نورانی عجیب و جذابی را به وجود آورد.

راه‌ حلی برای درک بهتر ماهیت ماده تاریک/ ماده تاریک هیچ‌کدام از خواص موادی را که در زندگی با آن‌ها سر و کار داریم ندارد؛ پس چطور می‌شود درک بهتری از آن داشت؟

ماده تاریک را می‌شود به سبک فیلم‌های علمی تخیلی شناخت، آن‌وقت بیشتر از علم با فانتزی سرو کار دارید، اما وقتی هیچ راهی برای درک علمی آن نیست و فقط از روی یک سری آثار گرانشی وجود آن ‌را ضروری می‌دانیم نبودش در یک کهکشان داستان عجیبی می‌شود که پایداری آن کهکشان را تبدیل به یک راز می‌کند چون جاذبه لازم برای نبود فروپاشی کهکشان با جرم ماده معمولی و قابل رصد ممکن نیست و علم وارد یک چالش بزرگ شده اما برای عبور از این چالش لازم است که درک بهتری از ماده تاریک داشته باشیم، شاید نتوانیم بگوییم دقیقاً چه چیزی هست، پس می‌توانیم مرز آن را با ماده معمولی مشخص کنیم. پس به سه سوال ضروری درباره ماده تاریک پاسخ می‌دهیم.

«ماده تاریک» چه فرقی با ماده معمولی دارد؟

موادی که ما روزانه با آن‌ها سرو کار داریم از واحد کوچکی به نام اتم تشکیل شده‌اند و خود اتم هم از ذرات ریزتری به نام الکترون، پروتون و نوترون. تمام موادی که در عالم می‌بینید و لمس می‌کنید، همگی موادی هستند که با خواص‌شان آشنا هستیم و قوانین فیزیک درباره‌ آن ها صدق می‌کند اما ماده تاریک هیچ‌کدام از آن خصوصیات را ندارد و تنها راه تشخیص آن نیروی گرانشی است که به سبب جرم خود، روی اجرام دیگر وارد می‌کند.

چه ذراتی از خانواده ماده تاریک هستند؟

بعد از سال‌ها تحقیق، کیهان شناس ها هنوز با هم اختلاف دارند که بالاخره جنس ماده تاریک چیست و از چه ذراتی تشکیل شده است؟ پیشنهادها و فرضیه‌های زیادی ارائه شد اما خیلی‌ها بعد از گذشت زمان رد شده یا درستی‌شان اثبات نشده است. هم اکنون پنج ذره، کاندیدای ماده تاریک هستند که هر کدام به دلایلی انتخاب شدند و طرفدارانی هم دارند. آزمایش‌ها در آینده احتمالا سرنخ‌های جدیدی برای فهمیدن جنس ماده تاریک به ما بدهد، آن‌ وقت دقیق‌تر می‌توانیم بگوییم ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک چه هستند و چه خواصی دارند. به‌طور مثال «ویمپ‌ها» یکی از گزینه‌های احتمالی ماده تاریک هستند؛ ذراتی فرضی که محاسبات و شبیه‌سازی ریاضی می‌گوید تعدادشان باید پنج برابر بیشتر از ماده معمولی باشد که کاملاً با فراوانی ماده تاریک که در کیهان می‌بینیم تطابق دارد اما این ها فعلا فرضیه های کیهان شناس ها و فیزیک دانان ذرات است که در حال آزمایش و بررسی است.

چه چیزهایی ماده تاریک نیستند؟

اصطلاح ماده تاریک شاید شما را به یاد سیاهچاله‌ها، ستاره‌های مرده و مرموز بیندازد، اما در حقیقت این‌ها هیچ ربطی به‌ هم ندارند. ستاره‌های بسیار پر جرم که در آخر عمرشان منفجر می‌شوند و هسته‌شان بسیار فشرده شده، سیاهچاله نامیده می‌شوند. سیاهچاله‌ها گرانش قوی دارند تا جایی که حتی نور هم نمی‌تواند از جاذبه‌شان فرار کند. سیاهچاله‌ها با قوانین آشنای فیزیک قابل توجیه هستند و بخشی از زندگی ستاره‌های پر جرم اند. در حالی‌که ماده تاریک ماهیتی کاملا ناشناخته دارد و ارتباطی با جنس ستارگان و موادی که می‌شناسیم ندارد. با این اوصاف حالا می دانیم ماده تاریک چیست و چه نقشی در انسجام یک کهکشان دارد ؛ با این حساب کهکشان بدون ماده تاریک می تواند شروعی بر تبیین های تازه در کیهان شناسی باشد.