جهان عمدتاً از مواد ناشناخته شامل ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل شده است، اما آنها دقیقاً چه هستند؟
اگر در دهه گذشته اخبار علمیزیادی را خواندهاید، به احتمال زیاد با ماده تاریک و انرژی تاریک مواجه شدهاید. این اصطلاحات مرموز ممکن است هالیوودی به نظر بیایند، اما در واقع اساس بسیاری از تحقیقات علمیمدرن هستند. این ایدهها جدید نیستند، اگرچه تحقیقات در سالهای اخیر آغاز شده است. ماده تاریک را میتوان به دهه 1300 ردیابی کرد و انرژی تاریک از انیشتین و نظریه نسبیت عام او سرچشمه میگیرد. و اینها بازیکنان بزرگی در جهان هستند.
شواهد کنونی نشان میدهد که ماده تاریک حدود 25 درصد از کیهان را تشکیل میدهد و انرژی تاریک اکثریت را در حدود 70 درصد تشکیل میدهد. ماده «عادی» که همه ما میتوانیم ببینیم و لمس کنیم، تنها 5 درصد است که نشاندهنده اهمیت علم در پشت این پدیدههای تاریک است. اما با توجه به اینکه 95 درصد کیهان از آنها تشکیل شده است، در واقع ماده تاریک و انرژی تاریک چیست؟
ماده تاریک: چیزهای نامرئی که کهکشانهای ما را سرعت میدهند
توضیح ماده تاریک سادهتر است، اما این توضیح گمراهکننده است زیرا هنوز دانشمندان از آن طفره میروند. برای ما “نامرئی” است، به این معنی که پرتوهای الکترومغناطیسی با آن برهمکنش نمیکند، اگرچه تحت تأثیر گرانش است.
هورست فیشر، محقق در آزمایش CAST (تلسکوپ خورشیدی اکسیون سرن) در سرن میگوید: «ماده تاریک چیزی اسرارآمیز است و ما هیچ سرنخی از آن نداریم تا زمانی که کشف شود. شواهدی مبنی بر اینکه ماده نامرئی در اطراف ما در فضا شناور است، بیشتر از برهمکنش آن با گرانش ناشی میشود. از رصدها، میدانیم که کهکشانها حول مرکزشان میچرخند، و فیزیک به ما میگوید که ستارگان دورتر از مرکز کهکشان باید در مدارشان کندتر حرکت کنند.
با این حال، کهکشانهایی که مشاهده میکنیم از این قانون پیروی نمیکنند، زیرا ستارههای بیرونی به همان سرعت ستارههایی که نزدیکتر هستند حرکت میکنند. سرعت چرخش آنها همچنین به این معنی است که جرم بیرونی به دلیل این مدار ناپایدار باید به سمت خارج کهکشان به فضا پرتاب شود. ماده تاریک با اضافه کردن جرم نادیده اضافی مشکل را “رفع” میکند.
در واقع، دانشمندان میتوانند با محاسبه مکانهایی که جرم اضافی مورد نیاز است، مکانهایی را که ماده تاریک در تشکیلات کهکشانی توده میشود، ترسیم کنند. شواهد دیگری از استدلال مشابهی به دست میآید.
نور به دلیل نیروهای گرانشی قوی خم میشود، و دانشمندان با تشخیص میزان جابجایی نورهای دوردست توسط کهکشانها، جرم بیشتری نسبت به تلسکوپهای معمولی رصد میکنند. حتی خوشههای کهکشانی نیز برای توضیح شکلگیری خود به یک شبکه ماده تاریک احاطه کننده آنها نیاز دارند. نتیجه این است که اکثر دانشمندان وجود ماده تاریک را میپذیرند، اما این سؤال را به وجود میآورد که از چه چیزی ساخته شده است.
به سادگی، ما هنوز نمیدانیم.
پروفسور فیشر میگوید: «در حجمی حدود 3 سانتیمتر مکعب، جرم ماده تاریک معادل جرم یک پروتون وجود دارد.
“این بسیار متراکم است و بنابراین بسیار شگفت انگیز است که ما هنوز ماده تاریک را کشف نکردهایم.” نامزدهای این ماده اسرارآمیز، ذرات فوق متقارن هستند، مانند ذرات فشرده با تعامل ضعیف (WIMPs) یا سایر ذرات فرضی مانند آکسیونها یا نوترینوهای عقیم. هیچ یک از اینها هنوز کشف نشده است، اما از نظر تئوری دارای خواصی هستند که با ماده تاریک مطابقت دارند. پیشنهاد جدیدتر این نظریه را مطرح میکند که ماده تاریک بین فازها در مقیاسهای اندازههای مختلف، از ذرات به ابر سیال، «شکلدهی» میکند، و به همین دلیل است که شناسایی آن بسیار دشوار است. اگرچه فرضیهای هیجان انگیز است، اما هنوز تا حدی تا اثبات شدن فاصله دارد.
علیرغم شواهد قوی به نفع ماده تاریک، تعدادی نظریه جایگزین وجود دارد که اغلب برای توضیح رصدها نیاز به ایجاد تغییرات شدید در نسبیت عام دارند.
انرژی تاریک: ماده عجیبی که فضا را کش میدهد
ماده تاریک ممکن است کمی ترسناک به نظر برسد، اما به گرد پای انرژی تاریک هم نمیرسد. انرژی تاریک نامیاست که ما به میدانی فرضی میدهیم که به نظر میرسد در فضا نفوذ میکند و باعث ایجاد شتاب در انبساط کیهان میشود. به عبارت دیگر، انرژی تاریک باعث کشیده شدن خودِ فضا میشود.
گرانش نیرویی جاذب است، و با وجود جرم نقطهگذاری شده در فضا، بسیاری از دانشمندان در ابتدا بر این باور بودند که انبساط جهان در نهایت تحت کشش گرانشی اعمال شده توسط اجسام عظیم متوقف خواهد شد. با این حال، در اواخر دهه 1990، مشاهدات ابرنواختر نوع Ia خلاف این را نشان داد – سرعت انبساط در حال افزایش بود. این نشان میدهد که اثری عجیب در حال اثرگذاری است.
کیهان کاملاً تخت نیست. جاش فریمن، مدیر بررسی انرژی تاریک و دانشمند کارکنان Fermilab ، میگوید: اینجا جرم بیشتری وجود دارد تا آنجا و این توده در طول زمان به دلیل گرانش تغییر میکند. “نگاه به تکامل این توده در طول زمان کیهانی راهی است که به ما کمک میکند تا جنگ کیهانی بین انرژی تاریک، که مواد را از هم جدا میکند، و گرانش، که مواد را به هم میکشد، کنترل کنیم.”
نظریه های انرژی تاریک متنوع هستند. ساده ترین آنها به انیشتین و ثابت کیهانی او برمیگردد. در تئوری نسبیت عام برای تعادل گرانش و حفظ یک جهان ایستا (که نه در حال انبساط و نه منقبض است) گنجانده شد، اما انیشتین زمانی که ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل کشف کرد که جهان در حال انبساط است، آن را رها کرد.
به عنوان نامزدی برای انرژی تاریک، ثابت کیهانی میدان انرژی ثابتی است که فضا را به طور یکنواخت پر میکند، اما رصد با مدلها مطابقت ندارد.
نظریه میدان کوانتومیانرژی خلاء را پیشبینی میکند که میتواند معادل ثابت کیهانی باشد. با این حال، محاسبات این انرژی 120 مرتبه بزرگتر از اثر مشاهده شده تجربی است. تفاوت عظیمی که دانشمندان باید توضیح دهند.
برخی دیگر معتقدند انرژی تاریک در طول زمان تغییر میکند. که این اثر ثابتی نیست. این میدان انرژی تاریک گاهی اوقات به عنوان “جوهره” (quintessence) نامیده میشود و میتواند پسرعموی سبکتر بوزون هیگز باشد. این تئوری، بسته به چگونگی تکامل «جوهره»، میتواند چگونگی پایان جهان را پیشبینی کند.
فرضیههایی که سعی میکنند انرژی تاریک را کنار بگذارند، اغلب بر نظریههای تغییر یافته گرانش تکیه میکنند. روی اینها میتوان از طریق ریاضی کار کرد، اما میتواند در توضیح همه پدیدههای رصد شده کوتاهی میکند. برخی نظریهها حتی فرض میکنند که شتاب انبساط به دلیل حرکت نسبی یا چگالی کمتر فضا در خوشه کهکشانی محلی ما، توهم است.
پروفسور فریمن میگوید: «به طور کلی، از این اصطلاح انرژی تاریک زیاد استفاده میکنیم، اما در واقع حتی نمیدانیم که آیا انرژی تاریک باعث افزایش سرعت جهان میشود یا خیر.
ممکن است ما گرانش را درک نکنیم.
اتفاقی برای گرانش در مقیاسهای بزرگتر کیهان میافتد که رفتار آن را تغییر میدهد، و این میتواند چیزی باشد که باعث ایجاد شتاب کیهانی میشود.»
آیا ما فقط در تاریکی به دور خود میچرخیم؟
برای درک کامل ماده تاریک و انرژی تاریک، کارهای زیادی باقی مانده است. اگرچه اغلب به عنوان مواد متمایز مورد بحث قرار میگیرد، افرادی هستند که به دنبال پیوندهای احتمالی بین این دو هستند. شاید ماده تاریک به انرژی تاریک تبدیل شود یا هر دو منشأ مشترکی داشته باشند. آنها حتی میتوانند مظاهر ذرات سریع تر از نور به نام تاکیون باشند.
ماده تاریک ممکن است به ما بگوید که جهان چگونه آغاز شد و سرنوشت آن میتواند توسط انرژی تاریک تعیین شود. در هر صورت، مطمئناً در آینده در مورد ماده تاریک و انرژی تاریک خواهید شنید، امیدواریم که نور بیشتری بر روی آنها تابیده شود.
