جهان هستی از چه چیزی ساخته شده است؟ (قسمت اول)

گفته می‌شود که بخش زیادی از قسمت مادی و غیر انرژیک جهان هستی از ماده‌ی تاریک ساخته شده است. ماده‌ی تاریک شاید رازآلودترین چالش پیش روی فیزیک دانان در ۱۰۰ سال اخیر بوده است. ماده‌ای که هنوز نیز به ماهیت و چیستی وجود آن پی برده نشده است. در این گزارش به بررسی مفصلی از ماده‌ی تاریک و تاریخچه‌ی آن و نیز تلاش های دانشمندان برای کشف و شناسایی این ماده می پردازیم.

ما تنها در مورد بخش کوچکی از ماده در جهان می‌دانیم. بقیه‌ی کاینات را تنها یک ماده‌ی مرموز تشکیل داده که با عنوان ماده‌ی تاریک شناخته می‌شود. اگر یک موجود فراجهانی با استفاده از یک واقعیت موازی موفق به دیدار از جهان ما شود، به احتمال زیاد آنها حتی پی نخواهند برد ما در این جهان وجود داریم.

به بیانی واضح تر، جهان بسیار بزرگ است و سیاره‌ی ما مانند نقطه‌ی آبی کمرنگ بسیار کوچکی به شمار می‌رود. اما نکته‌ی بدتر از این هم وجود دارد؛ اینکه فراجهانی‌ها حتی ممکن است متوجه هیچ یک از ستاره‌ها و سیاراتی که پیرامون آنها در گردش هستند نیز نشوند. آنها حتی احتمال دارد، به وجود ابرهای وسیعی از گرد و غبار که از طریق فضا در کیهان شناور هستند نیز پی نبرند.

همه‌ی این پدیده های آشنا در واقع تنها کسری از ماده‌ی موجود در جهان ما را شامل می‌شود. بقیه‌ی جهان از چیز دیگری ساخته شده است. ماده‌ای که هیچ کسی روی سیاره‌ی زمین تا به حال آن را ندیده است.

اگر بخواهیم از یک نام بهتر استفاده کنیم، باید اشاره کنیم که فیزیکدانان این پدیده را «ماده تاریک» نامیده‌اند. اگر آن ماده در کل کیهان وجود نداشته باشد، در آن صورت کهکشان‌ها از هم گسسته شده و هر کدام به سویی پرتاب خواهند شد. در حال حاضر هیچکس نمی‌داند که ماهیت و چیستی آن به طور دقیق چگونه است، اما فیزیکدانان به شدت به دنبال یافتن آن هستند.

fsci194

جهان از چیزی به نام ماده تاریک ساخته شده است

هر چیزی در اطراف خود می‌بینید، از بدنتان تا سیاره‌ی زمینی که رویش ایستاده‌اید؛ تا ستارگان آسمان، همه و همه از اتم ساخته شده‌اند. اتم نیز به نوبه‌ی خود از ذرات کوچکتری مانند پروتون و نوترون ساخته شده است که بسیاری از آن ذرات هم می توانند به ذرات و اجزای کوچکتر و بیشتری تجزیه شوند.

اوایل قرن بیستم، زمانی که فیزیکدانان رفته رفته فرآیند درک و شناخت آرایش اتم‌ها را آغاز کرده بودند، به نظر می‌رسید که ما در آستانه‌ی درک اساس کل مواد موجود در جهان خواهیم بود. اما در سال ۱۹۳۳، یک ستاره‌شناس سوئیسی به نام فریتز زوئیکی (Fritz Zwicky) برای نخستین بار این استدلال را مطرح کرد که بخش زیادی از جهان، از پدیده‌ای به طور کامل متفاوت با آنچه که می پنداشته ایم ساخته شده است.

fsci195

بخش زیادی از جهان، از پدیده‌ای به طور کامل متفاوت با آنچه که پنداشته ایم ساخته شده است

زوئیکی تمامی موادی را که می‌توانست در خوشه‌های کهکشانی مشاهده کند، مورد محاسبه قرار داد. او متوجه شد که مقدار ماده‌ی کافی برای نیروی گرانش به منظور نگه داشتن آنها کنار هم وجود ندارد.

ریچارد مسی (Richard Massey) از دانشگاه دورهام انگلستان معتقد است کهکشان‌هایی که زوئیکی مشاهده کرده بود، خودشان نیز در حال چرخش بودند؛ چنان چرخش سریعی که آنها باید از مکان خودپرتاب شده و به تمام گوشه و کنار جهان پراکنده می شدند. هر کهکشان همانند یک چرخ و فلک در حال چرخش با سرعت بیش از حد زیاد است. هر موجودی که سوار این چرخ و فلک می‌شود به سمت پایین پرتاب خواهد شد.

زوئیکی متوجه شد که باید ماده‌ی دیگری نیز وجود داشته باشد؛ ماده‌ای که به طور مستقیم نمی‌توان آن را مشاهده کرد اما یک کشش گرانشی ایجاد می‌کند که برای نگه داشتن همه‌ی کاینات در کنار هم به اندازه‌ی کافی قوی است. وی این فرم ناشناخته از ماده را «تاریک» نامید. در آن زمان اظهارات او غیرعادی به نظر می‌آمدند و تئوری های او از سوی دانشمندان جدی گرفته نمی‌شد. مسی در مورد او چنین می‌گوید:

وی یک نظریه پرداز دیوانه بود، کسی که نمی توانست برآیند نیروها را با همدیگر به دست آورد. در نتیجه یک فرم کاملا جدید از ماده را در ذهن خود اختراع کرد.

fsci196

زوئیکی یک فرم کاملا جدید از ماده را در ذهن خود اختراع کرد

کار زوئیکی به مقدار زیادی تا دهه‌ی ۱۹۷۰ به فراموشی سپرده شد. در واقع تا زمانی که ورا رابین (Vera Rubin) ستاره شناس کشف کرد که کهکشان های نزدیک به هم، در روند درستی نمی‌چرخند. در منظومه شمسی، یک قانون ساده اعمال می‌شود. بر پایه‌ی این قانون هر چقدر یک سیاره دورتر از خورشید باشد، گرانش لازم برای نگه داشتن آن نیز کمتر خواهد بود. در نتیجه، این سیاره کندتر حرکت خواهد کرد و به زمان بیشتری برای تکمیل مدار نیاز خواهد داشت.

همین منطق را باید به ستاره‌هایی که به دور مرکز کهکشان در گردشند نیز اعمال کنیم. ستاره‌هایی که در دورترین فاصله از مرکز قرار دارند باید با کمترین سرعت حرکت کنند، چون در آن مناطق میزان اثر گرانش تضعیف می‌شود. بر خلاف گفته‌ی اخیر، رابین پی برد که ستارگان دورتر نیز با همان سرعت ستاره‌های نزدیک‌تر حرکت می‌کنند.

عاملی باید در آن دوردست‌ها برای حفظ ستاره‌ها از پرواز به سوی بیرون مدار وجود داشته باشد. در واقع پس از مدت‌ها مشخص شد که زوئیکی در مسیر درستی در مورد این پدیده قرار داشته است.

fsci197

هر چقدر یک سیاره دورتر از خورشید باشد، گرانش لازم برای نگه داشتن آن نیز کمتر خواهد بود

اخترشناسان هم اکنون معتقدند که ماده‌ی تاریک به عنوان یک ماده‌ی اساسی در ایجاد جهان هستی با آن ویژگی‌هایی که در حال حاضر از آن سراغ داریم، حضور داشته است. تقریبا ۱۴ میلیارد سال پیش، لحظات پس از انفجار بزرگ، انبساط جهان با سرعت فزاینده‌ای آغاز شد و خوشه‌های کهکشانی نیز شروع به شکل‌گیری کردند.

با این حال، گسترش جهان آنچنان هم سریع نبود که در پی این گسترش، تمام کهکشان‌ها به گوشه‌های دوردست پرتاب شوند. دلیل اصلی آن هم این است که ماده‌ی تاریک با وجود نامرئی بودن، باعث نگه داشته شدن همه چیز در کنار هم می‌شود.

به عبارتی می‌توان گفت که ماده‌ی تاریک همانند باد است. ما نمی‌توانیم به طور مستقیم آن را ببینیم، اما می‌دانیم که وجود دارد. حالا سوال اینجاست که این ماده چه مقدار از کل کاینات را تشکیل می‌هد؟ باید بگوییم که مقدار زیادی از این ماده در سراسر کاینات وجود دارد و حدود ۲۵ درصد از جهان هستی را در بر گرفته است.

به طور گیج کننده ای گاهی اوقات گفته می‌شود که ماده‌ی تاریک تا حدود ۸۰ درصد از کل مواد موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. دلیل این بیان آن است که تنها ۳۰ درصد از جهان هستی از ماده ساخته شده و بیشتر همان قسمت نیز ماده تاریک است. بقیه‌ی جهان انرژی است.

fsci198

تنها ۳۰ درصد از جهان هستی از ماده تاریک ساخته شده که بقیه‌ی جهان انرژی است

در ادامه ی پژوهش ها و تا دهه‌ی ۱۹۸۰، اولین شواهد محکم برای ماده‌ی تاریک به دست آمده بودند. به عنوان مثال، در سال ۱۹۸۱ یک تیم به سرپرستی مارک دیویس (Marc Davis) از دانشگاه هاروارد، یکی از اولین کند و کاوهای کهکشانی را انجام دادند. آنها متوجه شدند که کهکشان‌ها در الگوهای یکنواختی مرتب نشده‌اند. به باور کارلوس فرنک (Carlos Frenk) از دانشگاه دورهام انگلستان:

اینگونه نیست که ماده‌ی تاریک تنها مانند مخلوط خامه‌ای در اطراف یک کیک پاشیده ‌شوند.

بلکه به جای آن حالت، کهکشان‌ها درون خوشه‌های بزرگی جمع می‌شوند که هر یک حاوی صدها هزار کهکشان هستند. این امر باعث می‌شود تا الگوهای پیچیده‌ با عنوان «تارهای کیهانی» شناخته شوند. این تارها به وسیله‌ی ماده‌ی تاریک با هم گره خورده‌اند. به عبارت دیگر، ماده تاریک اسکلتی است که ماده‌ی معمولی روی آن آویخته شده است. کارولین کرافورد (Carolin Crawford) از دانشگاه کمبریج انگلستان می‌گوید:

ما می دانیم که در مراحل اولیه‌ی تشکیل جهان، بودن این ماده لازم بوده است. نگه داشتن همه‌ی آن پدیده‌ها به صورت خوشه‌های کهکشانی بسیار حیاتی بوده است. چرا که در ادامه باعث توسعه‌ی ساختارهایی شده که در حال حاضر می بینیم.

fsci199

در مراحل اولیه ی تشکیل جهان، بودن ماده تاریک لازم بوده است

به گفته ی فرنک، کشف این خوشه باعث شکل‌گیری یک انگیزه‌ی جدید شد. دیویس که در آن زمان استاد فرنک بود، او را برای کشف اینکه چرا کهکشان ها به این شکل آرایش یافته اند به چالش کشید.

هنگامی که فرنک جستجوهای خود را آغاز کرد، به این نکته پی برد که یک فرد دیگر نیز ادعا کرده که زودتر از او توانسته این موضوع را کشف کند. در سال ۱۹۸۰، یک تیم روسی توسط وی‌ای لیوبیموف VA Lyubimov توانسته بودند یک توضیح محتمل و ممکن را از ماده‌ی تاریک ارایه کنند. آنها پیشنهاد کردند که ماده‌ی تاریک از نوترینوها ساخته شده‌اند.

این پیشنهاد به مقدار تقریبا مطمئنی بامعنی و معقول به نظر می‌رسید. نوترینوها ذرات تاریک و شبح مانندی هستند که به سختی با هر چیز دیگری برهم‌کنش می‌کنند. محققان پیشنهاد کردند که جرم ترکیبی همه‌ی نوترینوها در کل جهان ممکن است با جرم مجهول مورد بحثمان برابری کند و در واقع جای آن را پر کند.

اما در این میان یک مسئله وجود داشت. نوترینوها به صورت «ماده‌ی تاریک بسیار گرم» هستند، بدین معنی که آنها سبک بوده و در نتیجه، قادر به حرکت سریع نیز هستند. هنگامی که فرنک شبیه سازی یک کیهان پر از ماده‌ی تاریک داغ را به انجام رساند، متوجه شد که این مدل نمی‌تواند کارکرد عملی داشته باشد. وی در این مورد چنین گفته است:

ما با ناامیدی بزرگی روبرو شدیم و دریافتیم که جهان با ماده‌ی تاریک داغ به هیچ روی، شبیه جهان واقعی نخواهد بود. آن ایده با اینکه زیبا و مهیج بود اما برای دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم به هیچ وجه عملی نبود. ابرخوشه‌های عظیم کهکشانی که ما می‌شناسیم در این جهان وجود نداشتند.

در نتیجه، ماده‌ی تاریک باید سرد و به آهستگی در حال حرکت بود. قدم بعدی این بود که مکان این ماده‌ی تاریک سرد یافت شود.

fsci200

ماده‌ی تاریک باید سرد و به آهستگی در حال حرکت بود و مکان این ماده‌ی تاریک سرد یافت شود

اگر چه ما نمی‌توانیم ماده‌ی تاریک را به طور مستقیم مشاهده کنیم، اما ماده‌ی تاریک یک عملکرد بسیار بارز دارد که از طریق آن خود را به ما نشان می‌دهد. ماده‌ی تاریک نور گذرنده از خود را خم می‌کند. این موضوع به مقدار کمی همانند وقتی است که نور از میان یک استخر شنا یا یک پنجره مات حمام عبور کرده و می‌درخشد. این اثر در فیزیک به نام «همگرایی گرانشی» شناخته می‌شود و می‌توان آن را برای تشخیص محل‌هایی که در آن ابرهای ماده‌ی تاریک وجود دارند، استفاده کرد. با استفاده از این روش، دانشمندان در حال ایجاد نقشه‌های از ماده‌ی تاریک موجود در جهان هستی هستند.

در حال حاضر آنها تنها بخشی از این طرح را نقشه برداری کرده اند. اما تیمی که پشت چنین پروژه‌ای است، مسلما اهداف بلندپروازانه‌ای در سر دارند و امیدوارند که بتوانند نقشه‌ی یک هشتم از کل جهان ما شامل میلیون‌ها کهکشان را تهیه کنند. برای اینکه اندکی به عظمت این ارقام پی ببرید باید یادآوری کنیم که کهکشان ما، یعنی کهکشان راه شیری، شامل چندین میلیارد ستاره و احتمالا ۱۰۰ میلیارد سیاره است.

در حال حاضر این نقشه‌ها خام تر و ناقص تر از آن هستند که بتوانند جزییات دقیقی به ما ارایه کنند. گری پرزیو (Gary Prezeau) از آزمایشگاه پیشرانه‌ی جت ناسا در موسسه فناوری کالیفرنیا می‌گوید:

همانند این است که شما یک ایده‌ی اولیه از قاره‌های روی زمین داشته باشید. اما آنچه واقعا به دنبالش هستید شامل اشکال کوه‌ها و دریاچه‌های کره‌ی زمین باشد.

با این حال، ما حداقل یک ایده‌ی خام از این که ماده‌ی تاریک در چه محل‌هایی وجود دارد به دست آورده‌ایم. اما واقعیت این است که هنوز هم نمی‌دانیم ماهیت دقیق آن چیست؟

fsci201

ماده‌ی تاریک نور گذرنده از خود را خم می کند

پایان قسمت اول

منبع:زومیت

    سایر
  • تعداد بازدید ها : 293 بازدید
  • تگ ها:

پست ثابت