همه چیز درباره ۹۶درصدِ مجهولِ جهان

روزنامه خراسان: ‌می‌گویند وقتی غمگین و خسته اید و یا وقتی خیلی شاد هستید به آسمان نگاه کنید این طوری خیلی زود یادتان می‌افتد که جهان خیلی بزرگ است و نه شادی اش خیلی ماندنی است و نه غمش.

راز و رمز‌های جهانی که در آن زندگی می‌کنیم همیشه آدم را به فکر فرو می‌برد. راز‌هایی که هنوز خیلی‌ها در تلاشند تا زودتر کشف شان کنند و دنیا را متحول کنند. ماده تاریک از همان راز‌های سر به مهر است که چند سال اخیر بیشتر از همیشه سر زبان‌ها افتاده و مردم به آن علاقه‌مند شدند. اگر فیلم سینمایی «خیلی دور، خیلی نزدیک» را دیده باشید شاید به خاطر بیاورید سکانسی را که پدر به پسرش که شیفته آسمان است و برای رصد به کویر رفته، می‌گوید: «برات تلسکوپی خریدم که باهاش می‌تونی تمام آسمون رو ببینی»، اما پسر که یک منجم است و با آسمان آشناست می‌گوید: «حتی با قوی‌ترین تلسکوپ‌ها هم فقط ۴ درصد از جهان قابل دیدنه.»

جهانی که میلیارد‌ها کهکشان در آن وجود دارد و در هر کهکشانش حدود ۱۰۰ میلیارد ستاره و دور هر ستاره اش احتمالا چند سیاره می‌چرخد. اما جهانی به این بزرگی فقط ۴ درصد از کل چیزی است که در عالم وجود دارد و ما درباره بقیه اش (۹۶ درصد باقی مانده) چیزی نمی‌دانیم، چون نامرئی است. ماده‌ای تاریک که تبدیل به معمایی بزرگ شده است. می‌گویند شبیه هیچ یک از موادی که ما می‌شناسیم نیست و ویژگی‌های خاصی دارد، اما اگر نامرئی است و ناشناخته، پس چه طور کشف شده است؟

در سال‌های اخیر دانشمندان همیشه تاکید کرده اند که هنوز نتوانستند پی ببرند که ماده تاریک واقعا چیست و روزی که ماهیت واقعی این معما کشف بشود احتمالا انقلاب بزرگی در علم رخ می‌دهد. در این پرونده با این معمای بزرگ کیهانی بیشتر آشنا می‌شوید. با ما همراه باشید.

سر نخ اول

عامل ناشناخته‌ای که باعث تعادل کهکشان‌ها می‌شد

اولین سرنخ‌های ماده تاریک در سال ۱۹۳۰ پیدا شد، «فریتس تسوئیکی» دانشمندی بود که روی تعادل کهکشان‌ها کار می‌کرد او می‌خواست بداند چه عاملی باعث تعادل کهکشان‌هایی که کنار هم قرار گرفته اند شده است. جرمی که او براساس سرعت و چگونگی حرکت کهکشان‌ها بر اساس قوانین نیوتن محاسبه کرد ۴۰۰ برابر جرمی بود که بر اساس شدت روشنایی و رصد‌ها آن‌ها تخمین زده شده بود به این نتیجه رسید که این جرم خیلی کوچک است و نمی‌تواند نیروی گرانش لازم برای خنثی کردن نیروی ناشی از منبسط شدن گاز‌ها را ایجاد کند و قاعدتا باید این خوشه متلاشی می‌شد. اما خب می‌دید که چنین اتفاقی نیفتاده، پس حتما باید پای یک عامل ناشناخته به این قضیه باز شده باشد، کم کم این عامل، ماده تاریک یا ماده ناشناخته نام گرفت.

سر نخ دوم

محاسبات خانم کیهان شناس

نفر بعدی که گرفتار معمای پر پیچ و خم ماده تاریک شد ورا روبین بود، زنی که شیفته آسمان و پرسش‌های بی انتهایش بود. او وقت زیادی صرف کرد و سرعت مداری ستارگان در کهکشان‌ها را حساب کرد و به
تناقض‌هایی رسید. مثلا این که ستارگان با سرعتی بسیار سریع به دور مرکز کهکشان می‌چرخیدند و طبعا 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 کهکشان ها، وجود داشته باشد که گرانش لازم برای جلوگیری از متلاشی شدن کهکشان‌ها را به وجود آورد.

سرنخ سوم

کشف تابش زمینه کیهانی

با کشف تابش زمینه کیهانی یعنی تابشی که از اولین لحظه تولد عالم (بیگ بنگ) در فضا باقی مانده است سن دقیق عالم و سرعت انبساطش مشخص شد، ولی به نظر می‌رسید که چیزی در فضا نهفته است و همانند نوعی نیروی ضد گرانشی عمل می‌کند. این نیرو باعث می‌شود که به جای آن که جهان متراکم شود و اجزای آن به یکدیگر نزدیک شود، انبساط می‌یابد.

سر نخ چهارم

وقتی نور خم می‌شود

وقتش شده که به یکی از تصاویر حیرت انگیز کیهان چشم بدوزید. احتمالا اولش فکر می‌کنید این تصویر بخشی از آسمان است با چند ستاره. اما این تصویری است که تلسکوپ فضایی هابل از بخشی از فضا گرفته است که بار‌ها بزرگ شده و چند کهکشان را در نمایی دور دست نشان می‌دهد. هر نقطه نورانی یک کهکشان است، به مجموعه کهکشان‌هایی که نزدیک به هم باشند، خوشه کهکشانی می‌گویند و برای این خوشه‌ها نام‌های مشخصی ارائه می‌شود.

وقتی به تصویر خوشه کهکشانی «آبل ۱۶۸۹» که ۲٫۲ میلیارد سال نوری با زمین فاصله دارد، نگاه می‌کنید 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 اصطلاحا «لنز گرانشی» گفته می‌شود. براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضازمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند.

سال‌ها پیش از کشف ماده‌ی تاریک٬ اینشتین درنظریه نسبیت عام گفت که نیروی گرانشی می‌تواند نور را خم کند. این نظریه در خورشید گرفتگی سال ۱۹۱۹ میلادی به دست آرتور ادینگتون، منجم انگلیسی اثبات شد. قدرت این 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 بشود. به نظر می‌رسد که منبع گرانش شدید این خوشه کهکشانی وجود ماده نامرئی تاریک باشد که چنین کمان‌های نورانی عجیب و جذابی را به وجود آورده است.

چه طور درباره چیزی که نامرئی است آزمایش می‌کنیم؟

ظاهرا طبیعت می‌خواهد رازی را برای ما برملا کند که بسیار مهم و بزرگ است، ولی ما هنوز اطلاعات کمی درباره اش پیدا کرده ایم. شبیه یک نقشه پیچیده که قرار است ما را به واقعیتی بزرگ و حتی انقلابی در علم برساند. چیزی که واضح است این است که وقتی نمی‌توانیم خود ماده تاریک را در آزمایشگاه داشته باشیم و مستقیم مورد آزمایش قرار بدهیم و حتی نمی‌توانیم با تلسکوپ و ابزار‌های دیگر مشاهده اش کنیم پس فقط یک راه برای مان باقی می‌ماند.

آن هم این که اثرات آن را بررسی کنیم. اثر‌های ماده تاریک رفتار آن را با دیگر مواد نشان می‌دهد. مثلا تا الان می‌دانیم که ماده تاریک نمی‌تواند با مواد معمولی موجود در جهان برهمکنش داشته باشد. از خودش نوری منتشر نمی‌کند و نمی‌تواند نوری که به آن می‌تابد را هم بازتاب کند. در حقیقت هیچ واکنشی در برابر نور و امواج الکترومغناطیسی ندارد.

اما واقعا دانشمندان چه طور درباره ماده تاریک مطالعه و تحقیق می‌کنند؟ اصلا چه طور می‌شود درباره چنین چیزی آزمایش انجام داد؟ برای این آزمایش‌ها چند روش وجود دارد؛ روش‌هایی که بررسی مستقیم اثرات ماده تاریک در فضا است و آزمایش‌هایی که با شبیه سازی‌های خاص در زمین انجام می‌شود.

شتاب دهنده بزرگ هادرونی و آزمایشگاه CERN جایی است که ذرات پر انرژی با هم برخورد داده می‌شوند و از نتیجه برخورد آن‌ها اطلاعاتی به دست می‌آید که به تحقیقات کمک می‌کند. تعامل ماده تاریک با ماده معمولی مثل پروتون و نوترون که اشیاء اطراف ما را می‌سازند، آن قدر ضعیف است که تلاش‌های دانشمندان را برای شناسایی مستقیم آن به چالش می‌کشد. کیهان شناس‌ها به کمک روش مستقیم، مناطقی از فضا مثل مرکز کهکشان‌ها که ماده تاریک متمرکز شده را رصد می‌کنند تا نشانه‌هایی از برخورد ماده تاریک با ماده عادی را بیابند.

ماهواره WMAP و ماهواره پلانک تصاویری از تابش اولیه عالم منتشر می‌کنند و هر بار اطلاعاتی دقیق‌تر درباره کیهان ارائه می‌دهند که دانشمندان با تحلیل آن امیدوارند بخشی از رمز و راز‌های ماده تاریک را هم پیدا کنند. آن‌ها با همین روش پی به وجود ماده تاریک بردند و با بررسی همین تصاویر توانستند تخمین بزنند که مقدار واقعی ماده در جهان چه قدر است و چه مقدار ماده و انرژی تاریک در عالم وجود دارد.

ماده تاریک چه فرقی با ماده معمولی دارد؟

موادی که ما روزانه با آن‌ها سرو کار داریم از واحد کوچک تری به نام اتم تشکیل شده اند و خود اتم هم از ذرات ریزتری به نام الکترون و پروتون و نوترون. خودکاری که با آن می‌نویسید و ظرفی که در آن غذا درست می‌کنید و آبی که می‌نوشید و هوایی که تنفس می‌کنید، جنس سیارات منظومه شمسی و جنس ستاره‌ها و تمام موادی که در عالم می‌بینید و لمس می‌کنید همگی همان مواد آشنایی هستند با اغلب خواص شان آشناییم و قوانین فیزیک درباره شان صدق می‌کند.

اما ماده تاریک هیچ کدام از آن خصوصیات را ندارد، نه از جنس مواد آشنایی است که نام بردیم و نه حتی می‌دانیم چه جنسی می‌تواند داشته باشد. تنها راه تشخیص آن نیروی گرانشی است که به سبب جرم خود روی اجرام دیگر وارد می‌کند. برای همین دانشمندان مدام به دنبال اثرات گرانشی آن هستند تا اطلاعات جدیدی درباره اش بیابند.

چه چیز‌هایی ماده تاریک نیستند؟

اصطلاح ماده تاریک شاید شما را به یاد سیاهچاله ها، ستاره‌های مرده و مرموز بیندازند، اما در حقیقت این دو هیچ ربطی به هم ندارند. ستاره‌های بسیار پر جرم که در آخر عمرشان منفجر می‌شوند و

هسته شان بسیار فشرده شده سیاهچاله نامیده می‌شوند. سیاهچاله‌ها گرانش قوی دارند تا جایی که حتی نور هم نمی‌تواند از جاذبه شان فرار کند. سیاهچاله‌ها با قوانین آشنای فیزیک قابل توجیه هستند و بخشی از زندگی ستاره‌های پر جرم اند. در حالی که ماده تاریک ماهیتی کاملا ناشناخته دارد و ارتباطی با جنس ستارگان و موادی که می‌شناسیم ندارد.

چه ذراتی از خانواده ماده تاریک هستند؟

بعد از سال‌ها تحقیق کیهان شناس‌ها 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 شدند و یا درستی شان اثبات نشده است. در حال حاضر ۵ 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.

انرژی تاریک، راز بزرگی که هنوز هیچ سرنخی برایش نداریم

ماجرا وقتی هولناک و تعجب آور می‌شود که بدانید تمام چیز‌هایی که در عالم وجود دارد، از زمین گرفته تا ستاره‌ها و سیاره‌ها و گاز‌هایی که در فضای کهکشان‌ها وجود دارد فقط ۴ درصد عالم را تشکیل داده است. لازم است چند دقیقه به این قضیه فکر کنید، تمام دانشی که ما داریم و تمام آنچه درباره جهان
‌
می‌دانیم تنها درباره ۴ درصد از جهان است. بهت آور است که باور کنید این همه تلاش از ابتدای شکل گیری علم نجوم و فیزیک برای درک جهان تا کنون فقط برای درک ۴ درصد از جهان بوده است. پس بقیه اش چه؟ فعلا فقط می‌دانیم که ۲۳ درصد دیگر از جهان را ماده تاریک تشکیل داده و از تاثیر جرمش در حرکت کهکشان‌ها کشف شده است. به نظر می‌رسد هنوز ۷۳ درصد باقی می‌ماند. شگفت انگیزترین بخش قضیه این جاست، ۷۳ درصد باقی مانده جهان را انرژی تاریک تشکیل داده است. اگر درباره ماده تاریک تا کنون حدس‌هایی زده شده و آزمایش‌هایی طراحی شده، درباره انرژی تاریک، اما هنوز هیچ درک درستی نداریم و نمی‌دانیم که واقعا چیست.