آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

ناطقان: در دهه ۱۹۳۰، یک ستاره شناس سوئیسی به نام فریتز زویکی متوجه شد که کهکشان‌ها در یک خوشه دور بسیار سریعتر از مقدار جرم قابل مشاهده آن‌ها در حال چرخش به دور یکدیگر هستند. او پیشنهاد کرد که یک ماده غیر قابل مشاهده، که او آن را ماده تاریک می‌نامید، ممکن است بر گرانش این کهکشان‌ها اثر گذار باشد.

از آن زمان، محققان تأیید کرده اند که این ماده اسرارآمیز را می‌توان در سراسر کیهان یافت که شش برابر بیشتر از مواد تشکیل دهنده اجرامی مثل ستارگان و انسان‌ها جرم دارد. با این حال، علیرغم مشاهده ماده تاریک در سراسر جهان، دانشمندان همچنان درباره این ماده سوالات فروانی دارند. با ما همراه باشید تا با ۱۱ سوال بی پاسخ در رابطه با ماده تاریک آشنا شویم.

ماده تاریک چیست؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

اولین و شاید گیج کننده‌ترین مساله برای بسیاری از محققان آن است که ماده تاریک دقیقا چیست. در ابتدا، برخی از دانشمندان حدس زدند که جرم گمشده در کیهان از ستارگان کم نور و سیاهچاله‌های کوچک تشکیل شده است. با این حال، مشاهدات دقیق، چنین اجرامی را پاسخ مناسبی برای توضیح ماده تاریک نمی‌دانستند. رقیب اصلی کنونی برای ماده تاریک، ذره‌ای فرضی به نام ذره پرجرم متقابل ضعیف یا WIMP است که تاحدی مانند یک نوترون رفتار می‌کند. همانطور که لینکلن فیزیکدان می‌گوید: «این ذره بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از یک پروتون است.» با این حال، این حدس فقط به سؤالات بیشتری منجر شده است.

آیا می‌توانیم ماده تاریک را تشخیص دهیم؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

اگر ماده تاریک از WIMP‌ها ساخته شده باشد، آن‌ها باید در اطراف ما، نامرئی و به سختی قابل تشخیص باشند. پس چرا ما هنوز چیزی پیدا نکردیم؟ اگرچه آن‌ها با ذرات معمولی شناخته شده برهمکنش چندانی ندارند، اما همیشه احتمال کمی وجود دارد که یک ذره ماده تاریک بتواند با یک ذره معمولی مانند پروتون یا الکترون در هنگام حرکت در فضا برخورد کند. بنابراین، محققان آزمایش‌هایی انجام داده‌اند تا تعداد زیادی از ذرات معمولی را در اعماق زمین، دقیقا جایی که ذرات از تشعشعات مزاحم در امان هستند و می‌توانند برخورد ذرات ماده تاریک را تقلید کنند، مطالعه کنند. اما مشکل کجاست؟ پس از دهه‌ها جستجو، هیچ یک از این دستگاه‌های آشکارساز به کشف معتبری نرسیده است. در اوایل سال جاری، آزمایش PandaX چینی عدم شناسایی WIMP را گزارش کرد. فیزیکدان Hai-Bo Yu از دانشگاه کالیفرنیا، گفت: «به نظر می‌رسد که ذرات ماده تاریک بسیار کوچکتر از WIMP‌ها هستند یا فاقد خواصی هستند که مطالعه آن‌ها را آسان می‌کند.»

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

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

اجرام اطراف ما از ذرات معمولی مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها و همچنین یک مجموعه پیچیده و کامل از ذرات عجیب و غریب مانند نوترینو، میون و پیون تشکیل شده است. بنابراین، برخی از محققان این سوال را مطرح کرده اند که آیا ماده تاریک، که ۸۵ درصد از ماده جهان را تشکیل می‌دهد، ممکن است به همان اندازه پیچیده باشد؟ آندری کاتز، فیزیکدان از دانشگاه هاروارد، گفت: «دلیل منطقی برای فرض اینکه همه ماده تاریک در جهان از یک نوع ذره ساخته شده است، وجود ندارد.» کاتز گفت که پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند و اتم‌های تاریک را تشکیل دهند و پیکربندی‌هایی متنوع و جالبی به همان اندازه که در جهان مرئی یافت می‌شوند، ایجاد کنند. در حالی که چنین پیشنهاد‌هایی به طور فزاینده‌ای در آزمایشگاه‌های فیزیک تصور می‌شد، کشف راهی برای تایید یا رد آن‌ها تاکنون دانشمندان را در هاله‌ای ابهام قرار داده است.

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

علاوه بر ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک، این احتمال وجود دارد که ماده تاریک نیرو‌هایی را تجربه کنند که مشابه نیرو‌های وارده بر مواد پیرامون ما هستند. برخی از محققان به دنبال " فوتون‌های تاریک " بوده اند که مانند فوتون‌های مبادله شده بین ذرات معمول عمل کنند، با این تفاوت که آن‌ها فقط توسط ذرات ماده تاریک احساس می‌شوند. فیزیکدانان ایتالیایی در حال انجام مطالعاتی هستند تا پرتوی از الکترون‌ها و پادذرات آن‌ها را که به نام پوزیترون شناخته می‌شوند، در یک الماس بشکنند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت‌های الکترون-پوزیترون می‌توانند یکی از ذرات عجیب حامل نیرو را از بین ببرند و نیز آن را تولید کنند که به طور بالقوه می‌توانند بخش جدیدی از جهان را باز کنند.

آیا ماده تاریک می‌تواند از آکسیون‌ها ساخته شود؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

همانطور که فیزیکدانان به طور فزاینده‌ای از بحث WIMP‌ها دور می‌شوند، دیگر ذرات ماده تاریک شروع به جلب توجه می‌کنند. یکی از جایگزین‌های پیشرو برای WIMP ها، ذره‌ای فرضی به نام آکسیون است که بسیار سبک بوده و شاید به اندازه ۱۰ به توان ۳۱ بار کم‌تر از یک پروتون جرم داشته باشد. اکنون در چند آزمایش دانشمندان در پی یافتن اکسیون‌ها هستند. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای اخیر این احتمال را افزایش داده‌اند که آکسیون‌ها می‌توانند اجرام ستاره‌مانندی را ایجاد کنند که قادر به تولید تشعشعات قابل تشخیصی باشند که کاملاً شبیه پدیده‌های مرموز به نام انفجار‌های سریع رادیویی است.

خواص ماده تاریک چیست؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

ستاره شناسان ماده تاریک را از طریق برهمکنش‌های گرانشی آن با مواد و اجرام پیرامون ما کشف کردند که نشان می‌دهد این روش میتواند روش اصلی برای نشان دادن حضور ماده تاریک در جهان باشد. اما زمانی که محققان تلاش می‌کنند ماهیت واقعی ماده تاریک را درک کنند، به‌طور قابل‌توجهی به هیچ چیز دست نمی‌یابند. طبق برخی نظریه ها، این پدیده به دلیل آن است که ذرات ماده تاریک باید ضد ذرات خودشان باشند، به این معنی که دو ذره ماده تاریک با یکدیگر تلاقی و یکدیگر را از بین می‌روند. آزمایش طیف‌سنج مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی از سال ۲۰۱۱ در جستجوی نشانه‌های آشکار این نابودی بوده و تاکنون صد‌ها هزار رویداد را شناسایی کرده است. دانشمندان هنوز مطمئن نیستند که آیا رویداد‌ها از ماده تاریک نشأت می‌گیرند یا خیر و حتی سیگنال‌ها نیز همچنان به دانشمندان برای درک دقیق چیستی ماده تاریک کمکی نکرده است.

آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

از آنجایی که ماده تاریک بسیار بیشتر از اجرام پیرامون ما در عالم هستی است، اغلب گفته می‌شود که ماده تاریک نیروی کنترل کننده‌ای است که ساختار‌های بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را سازماندهی می‌کند. با این حال، در اوایل سال جاری، اخترشناسان اعلام کردند که کهکشانی به نام NGC ۱۰۵۲-DF ۲ را پیدا کرده اند که به نظر می‌رسد به مقدار بسیار کمی حاوی ماده تاریک باشد. پیتر ون داکوم از دانشگاه ییل گفت: «ظاهراً ماده تاریک برای تشکیل یک کهکشان الزامی نیست.» با این حال، در طول تابستان، یک تیم به صورت مستقل تجزیه و تحلیلی را منتشر کردند که نشان داد تیم ون داکوم فاصله موجود تا کهکشان مورد نظررا به اشتباه اندازه‌گیری کرده است، این بدین معناست که ماده قابل مشاهده آن بسیار کم‌تر و سبک‌تر از یافته‌های اولیه بود و بیشتر جرم این کهکشان را ماده تاریک تشکیل می‌دهد.

DAMA/LIBRA به چه نتایجی دست یافتند؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

یک راز دیرینه در فیزیک ذرات، نتایج گیج کننده یک آزمایش اروپایی به نام DAMA/LIBRA است. این آشکارساز که در یک معدن زیرزمینی در زیر کوه گران ساسو در ایتالیا واقع شده است، به دنبال یک نوسان دوره‌ای در ذرات ماده تاریک بود. این نوسان زمانی ایجاد می‌شود که زمین در مدار خود به دور خورشید و در حال حرکت در جریان کهکشانی ماده تاریک موجود در اطراف منظومه شمسی است که گاهی اوقات باد ماده تاریک نیز نامیده می‌شود. از سال ۱۹۹۷، DAMA/LIBRA ادعا کرده است که دقیقاً این سیگنال را می‌بیند؛ هرچند هیچ آزمایش دیگری چنین چیزی را مشاهده نکرده است.

آیا ماده تاریک می‌تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

سیگنالی از آغاز زمان، برخی از فیزیکدانان را به این موضوع سوق داده است که ماده تاریک ممکن است دارای بار الکتریکی باشد. این سیگنال ها، تشعشعاتی با طول موج ۲۱ سانتی متر هستند که توسط ستارگان در دوران کودکی جهان، تنها ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ منتشر شدند. سپس این تشعشعات توسط هیدروژن سردی که در همان زمان در اطراف منتشر بود، جذب شد. هنگامی که این تشعشعات در فوریه سال جاری شناسایی شد، ویژگی‌های آن حاکی از آن بود که هیدروژن بسیار سردتر از آن چیزی است که دانشمندان پیش بینی کرده بودند. جولیان مونوز اخترفیزیکدان از دانشگاه هاروارد این فرضیه را مطرح کرد که ماده تاریک با یک بار الکتریکی می‌تواند دقیقا چیزی شبیه به مکعب‌های یخ شناور در لیموناد، گرما را از هیدروژن موجود در فضا دور کند، اما این حدس هنوز تایید نشده است.

آیا ذرات معمولی می‌توانند به ماده تاریک تجزیه شوند؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

نوترون‌ها ذرات منظمی با طول عمر محدود هستند. پس از حدود ۱۴.۵ دقیقه، یک نوترون جدا شده از یک اتم، به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو تجزیه می‌شود. اما طبق آزمایش‌هایی که در مطالعه جولای در مجله Physical Review Letters ذکر شد، دو پلتفرم آزمایشگاهی برای فروپاشی نوترون‌ها حاکی از آن بود که فروپاشی در این دو پلتفرم با اختلاف حدود ۹ ثانیه صورت می‌پذیرد. در اوایل سال جاری، فیزیکدانان پیشنهاد کردند که در ۱ درصد مواقع، برخی از نوترون‌ها به ذرات ماده تاریک تجزیه می‌شوند. از این رو این امر می‌تواند دلیل این ناهنجاری و اختلاف زمان فروپاشی باشد. کریستوفر موریس از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو به هماره تیم خود، نوترون‌ها را برای بررسی سیگنالی که می‌تواند ماده تاریک باشد، زیر نظر گرفتند. بر اساس این مطالعه، آن‌ها پیشنهاد کردند که سناریو‌های دیگر فروپاشی نیز همچنان امکان پذیر هستند.

آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

با توجه به مشکلاتی که دانشمندان در تلاش برای کشف و توضیح ماده تاریک با آن روبرو بوده اند، ممکن است یک پرسشگر منطقی از خود بپرسد که آیا تمام راه را اشتباه آمده ایم؟ برای سال‌های متمادی، اقلیتی از فیزیکدانان این ایده را مطرح کرده‌اند که شاید نظریه‌های گرانش ما به سادگی نادرست باشند و نیرو‌های بنیادی در مقیاس‌های بزرگ، متفاوت از آنچه انتظار داریم عمل می‌کنند. این پیشنهادات که اغلب به عنوان «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» یا مدل‌های MOND شناخته می‌شوند، بیان می‌کنند که ماده تاریکی وجود ندارد و سرعت‌های فوق‌العاده‌ی ستاره‌ها و کهکشان‌ها در حین چرخش به دور یکدیگر، نتیجه رفتار‌های شگفت‌انگیز گرانش است. دان لینکلن، فیزیکدان، در توضیحی نوشت: «ماده تاریک هنوز یک مدل تایید نشده است. با این حال، مخالفان این تئوری هنوز نتوانسته اند افراد بیشتری را با ایده‌های خود متقاعد کنند. اما آخرین شواهد حاکی از آن است که ماده تاریک واقعی است.»