ماده تاريک چه مي تواند باشد؟

اين چه ترکيبي از کلمه هاست که کيهان شناسان ساخته اند؟ مگر ماده تاريک مي شود؟ فقط اين ترکيب نيست که غريب است، ما انرژي تاريک هم داريم! اين چه فرايندي بوده که منجر به اين ترکيب دو يا چند کلمه «تاريک»، «ماده» و «انرژي» شده است؟ چگونه اين مفهوم نوين شکل گرفته است؟ توسعه انديشه بشري همواره همراه بوده است با مفهوم سازي هاي جديد، ايا اين مفهوم ماده تاريک هم منجر به توسعه علمي شده است يا خواهد شد؟
 

درک ما در علوم فيزيکي از ماده کما بيش همان است که در عرف عادي مردم است. مهم ترين ويژگي اي که به ماده نسبت مي دهيم جرم است؛ گرچه بار الکتريکي هم هست، اما ظاهراً با بار تاکنون مشکلي پيش نيامده، اما با جرم چرا! تازه در نسبيت هم ياد گرفته ايم انرژي را هم کما بيش با جرم مترادف بگيريم، جرم، بر خلاف انتظار، مفهوم بسيار پيچيده اي است که تکوين آن به صورت امروزين در علوم فيزيکي دست کم هزار سال طول کشيده است. در گذشته ما به اجسام کيهاني، اجسامي که در آسمان هستند، «جرم» مي گفتيم؛ کما اين که در زبان فارسي هنوز به کار بردن عبارت «اجرام آسماني» براي اجسام يا اشياي کيهاني مصطلح است. به مرور در ذهن فيلسوفان و طبيعيون در ارتباط ميان ماده و حرکت، لفظ جرم و مفهومي جديد نقش پيدا کرد اخوان الصفا، در دوران اسلامي، گام مهمي در اين جهت برداشتند اما گام نهايي در فيزيک نيوتني برداشته شد که جرم به يک ويژگي ماده اطلاق شد؛ ويژگي اي که در مقابل نيرو مقاومت نشان مي داد و ما امروزه به آن جرم لَختي مي گوييم. اين ويژگي در فيزيک نيوتني يکي انگاشته شد با ويژگي ديگري که آن را امروزه جرم گرانشي مي خوانيم: هر جسم نيروي گرانشي توليد مي کند که با جرم گرانشي آن متناسب است. اما در نسبيت عام اين دو جرم از هم تفکيک شد و يکي بدون آنها تبديل به امري تجربي. اندازه گيري اين جرم در علوم فيزيکي نوين به امري بديهي تبديل شده است، که راه هاي متفاوتي هم براي آن وجود دارد.
جرم «اجرام آسماني» چگونه اندازه گيري مي شود؟ از چگونگي حرکت يک ذره در اطراف زمين، مثلاً سرعت سقوط آن، مي توان جرم زمين را تعيين کرد. همين طور از حرکت زمين به دور خورشيد جرم خورشيد به دست مي آيد. ستاره هاي درون کهکشان کمابيش به اندازه خورشيدند، پس با جمع کردن جرم آنها جرم کهکشان به دست مي آيد. حالا اگر ستاره اي مثلاً به دور کهکشان بگردد از چگونگي سرعت آن هم مي توان جرم کهکشان را به دست آورد. اما متوجه هستيد که اين دو روش متفاوت اند، گرچه انتظار داريم نتيجه يکساني به دست بدهند. پس چه مي شود اگر اين دو نتيجه يکي نباشد؟ چالشي براي اختر فيزيک؟ بله همين طور است!
در سال 1313/1934 فريتس تسويکي منجم آمريکايي سوييسي تبار با تحليل داده هاي رصدي مربوط به مجموعه هاي کهکشاني به اين نتيجه رسيد که ماده موجود در اين مجموعه ها حدود 10 برابر ماده مرئي آن هاست. به عبارت ديگر، ما فقط 10 درصد از ماده اين مجموعه ها را مي بينيم و بقيه ماده آن ها را نمي توانيم آشکار کنيم. تحليل تسويکي بر پايه اندازه گيري سرعت کهکشان هاي منفرد مجموعه بود: اگر ماده نامرئي وجود نمي داشت، تاکنون اثر مجموعه ها کهکشاني از هم مي پاشيدند. اين نخستين چالش ميان اندازه گيري جرم از طريق شمارش کهکشان ها و نيز از طريق ديناميک، يعني حرکت اجرام منفرد در خوشه، بود.
در آغاز، اين ماده را «ماده گم شده» ناميدند. اما اصطلاح درستي نبود. چيزي گم نشده بود، بلکه وجود داشت ولي ما نمي توانستيم ببينيم. از آن رو، از دهه شصت/ هشتاد به مرور اصطلاح «ماده تاريک» متداول شد. منجمان و کيهان شناسان در برابر پرسش هاي مهم و اساسي قرار گرفتند: ماده تاريک چيست؟ در کجاها وجود دارد؟ چگونه توزيع شده است؟ آيا فقط در مجموعه هاي کهکشاني است يا درون هر کهکشان هم وجود دارد؟ توجه کنيد منظور از ماده تاريک ماده اي است که جرم آن را از حرکت يا ديناميک استنباط مي کنيم اما نمي توانيم اندازه بگيريم.
ورا روبين، منجمي از موسسه واشنگتن، در دهه 1350 شمسي با بررسي حرکت ستاره ها به دور مرکز کهکشان به اين نتيجه رسيد که بخش مرئي کهکشان ما را هم مقادير بسياري از ماده تاريک پر کرده است چون که ستاره هاي دوردست کهکشان، که مي بايد با سرعت کمتري به دور مرکز کهکشان بگردند، با سرعتي در حدود 250 کيلومتر در ثانيه در گردش اند! چه نيرويي جز ماده تاريک مي تواند آنها را اين چنين به گردش در آورد؟ محتمل ترين محل وجود ماده تاريک در کهکشان، هاله اي است که کهکشان را در بر گرفته است. ولي آيا ماده تاريک کهکشان ها از همان جنس ماده تاريک کل عالم است؟
اين ماده تاريک از چه نوع است و کجا پنهان است؟ طبيعي است که بخشي از آن را غبار، گاز و يا ستاره هاي کوتوله يا سياره ها تشکيل دهند، که همگي از نوع معمول ماده اند، که آن را ماده باريوني مي ناميم.اما ممکن نيست همه ماده تاريک به صورت غبار باشد، چون مقادير عظيم غبار، نور کهکشان هاي دوردست را تيره و تار مي کند؛ و همچنين اين که عمده ماده تاريک به شکل سياه چاله يا ستاره نوتروني نيست، چرا که در اين صورت ريزش گاز و غبار به اين گرداب هاي گرانشي آن قدر پرتو ايکس توليد مي کرد که مسلماً بخش عمده آن آشکار مي شد. پس بايد به دنبال نامزدهاي ديگري بود. در فهرست اين نامزدها بر اسامي کوتوله هاي قهوه اي، کوتوله هاي سياه، سياره هاي مشتري گون و سرانجام ذرات غريب بر مي خوريم. کوتوله هاي قهوه اي در واقع ستاره هاي نارس اند؛ نه در جرگه سياره اي گازي مانند مشتري قرار مي گيرند و نه آن قدر بزرگ اند که به ستاره تبديل بشوند. بايد تعداد بسياري از اين کوتوله ها کشف شوند تا نامزد قابل اعتنايي براي حل مسئله ماده تاريک باشد. کوتوله هاي سياه نقطه ي پايان حيات ستاره هاي کم جرم اند. ولي تا ستاره اي به کوتوله سياه تبديل بشود دست کم 10 ميليارد سال بايد بگذرد. عمر کهکشان ما هم در همين حدود است. آيا اصلاً در کهکشان ما کوتوله سياهي به وجود آمده است؟ چند درصد کوتوله قهوه اي هست؟ چه تعداد سياره مشتري گون- که بايد آنها را در کنار ستاره مادرشان جست و جو کرد- وجود دارد؟
در دهه 1370/1990 دو گروه از اخترشناسان به دنبال کشف کوتوله هاي درون کهکشان خودمان رفتند تا شايد راز ماده تاريک را کشف کنند. اين کوتوله ها را اجرام پرجرم فشرده در هاله، يا به اختصار ماچو (MACHO)* ناميدند. انتظار اخترشناسان همواره اين بوده است که بتوان اثر گرانشي ماچوها را -که بايد عمدتاً در هاله کهکشان ها يافت شوند- رصد کرد. پاچينسکي در دهه 1360/1980 مطرح کرده بود که شايد بتوان اثر ريز هم گرايي اين ستاره ها را ديد. مي دانيم که ميدان گرانشي هر جرم فشرده، نوري را که از چشمه اي در پشت آن مي آيد منحرف مي کند، همان گونه که عدسي اپتيکي رفتار مي کند. اين اثر را هم گرايي گرانشي مي نامند و جسمي را که باعث هم گرايي مي شود عدسي گرانشي. يک مجموعه کهکشاني ممکن است مثلاً براي نور اختروشي که از فواصل کيهاني دور مي آيد همچون عدسي عمل کند. هريک از کهکشان هاي اين مجموعه نيز ممکن است نقش عدسي را داشته باشند، که در اين صورت از ريز هم گرايي صحبت مي شود. گاهي اين نقش را ستاره هاي يک کهکشان دارند. مثلاً تصور کنيد ستاره اي از ابر بزرگ ماژلان را رصد مي کنيم. نور اين ستاره براي رسيدن به ما از ميان هاله کهکشان خودمان مي گذرد. اگر تصادفاً ستاره کوتوله اي بي نور در هاله کهکشان (يک ماچو) سر راه آن نور قرار بگيرد باعث هم گرايي نور اين ستاره مي شود. محاسبات نشان داده است که به خاطر اين ريز هم گرايي، نور ستاره شدت مي يابد. پس در اين صورت بايد تغيير نور ستاره را مشاهده کرد. بدون اين که خود ماچو ديده بشود. شدت افزايش نور بيش از 30 درصد است. البته ستاره هاي متغير زيادند، اما افزايش نور ناشي از هم گرايي مستقل از طول موج يا رنگ است، چون به ساز و کار درون ستاره ارتباط ندارد. به علاوه فقط يک بار رخ مي دهد و سپس نور ستاره به شدت پيشين خود بر مي گردد. کل دوره افزايش حدود يک تا دو ماه است. اين رويدادها بسيار نادرند. تخمين ها نشان مي دهد که در هرزمان از ميان دو ميليون ستاره فقط يک ريز هم گرايي وجود دارد. به همين علت گروه هايي که به دنبال اين کشف بودند لازم بود ميليون ها ستاره را نورسنجي کنند.
نورسنجي ده ها ميليون ستاره کاري نيست که بتوان دستي انجام داد، که اين خود چالشي براي اين گروه هاي رصد بود. آن ها روش هاي رصدي و نرم افزاري پرقدرتي براي رصد ميليون ها ستاره در مدتي کوتاه ابداع کردند و توانستند در کنار جست و جوي ماچوها ستاره هاي متغير جالب بسياري کشف کنند. نتيجه اين رصدها نشان داد که ماچوها نقشي در ماده تاريک ندارند و حداکثر 5 درصد از آن را تشکيل مي دهند.
پس به نظر مي رسد که ماده تاريک نمي تواند از نوع باريوني، يعني اتم هاي معمولي و پروتون و نوترون باشد. نظريه هاي مربوط به آفرينش عناصر شيميايي در عالم را، نظريه هاي ذره زايي و هسته زايي، مي گويند که به هنگام مهبانگ فقط حدود 4 درصد از ، از چگالي بي بعد شده عالم، را مي توان به حساب باريون ها گذاشت، پس باقي مانده اين ماده غريب چيست؟ ذرات شناسان و کيهان شناسان ذره هاي غريبي را پيشنهاد کرده اند و آنها را دو دسته مي کنند: ذرات با سرعت زياد که ماده تاريک گرم را تشکيل مي دهند، و ذرات با سرعت کم که تشکيل دهنده ماده تاريک سردند. نامزد اصلي ماده تاريک گرم نوترينو است: ذره اي بنيادي که جرم سکون آن احتمالاً غير صفر و حدوداً برابر چند الکترون ولت است. اما در همان دهه 1360/1980 کيهان شناسان نشان دادند که اگر ماده تاريک از جنس گرم باشد ساختارهايي که در کيهان مي بينيم نمي توانستند تشکيل بشوند. به علت اين تناقض با تشکيل ساختار، ماده تاريک گرم کنار گذاشته شد، اما ماده تاريک سرد چه مي تواند باشد؟
ماده تاريک سرد بيشتر غريب و نا آشناست، از جمله ذراتي مانند آکسيون، نوترالينو و ويمپ (مخفف عبارتي به معني پرجرم يا بر هم کنش ضعيف). هيچ يک از اين ذره هاي فرضي تاکنون آشکار نشده اند، گرچه چند ادعا در سال هاي اخير مطرح شده است. هر فرضي درباره ماده تاريک، علاوه بر اين که بايد با نظريه هاي فيزيک ذرات سازگار باشد، روي ايجاد ساختارهايي مانند کهکشان ها و خوشه ها تأثير مي گذارد پس بايد با رصد هم سازگار باشد.
تا سال 1378/1999 تصور مي شد به جز چهار درصد ماده روشن، 96 درصد ماده عالم با فرض 1= بايد تاريک باشد اکنون مي دانيم که فقط 26 درصد ماده تاريک است، و بقيه گرچه تاريک است اما ويژگي عجيبي دارد که ديگر نمي توان آن را ماده تاريک ناميد و به همين علت نام «انرژي تاريک» براي آن ابداع شده است. در چند دهه اخير چندان به گشايش اين راز کمکي نشده است جز اين که مي دانيم ماده تاريک گرم نيست، از جنس نوترينو نيست، و اين که فقط 26 درصد ماده عالم را تشکيل مي دهد پس ماده تاريک چيست؟
آيا ممکن است نظريه هاي ديناميکي ما، نسبيت عام، اشکال داشته باشد؟ آيا ممکن است تعبير و نوع به کارگيري معادله هاي ديناميکي اشکال داشته باشد؟ آيا هنوز ذراتي مانند ويمپ وجود دارند که ماده تاريک از آنها تشکيل شده است؟ آيا شتابگر بزرگ LHC به حل اين معما کمک مي کند؟ نکند اشتباهي اساسي در تعريف جرم، اين مشکل ماده تاريک را به وجود آورده باشد؟ تا زماني که اين معما حل نشده است شايد هنوز بتوان حدس هاي ديگري براي رفع مشکل مطرح کرد. حدسي موفق است که در نهايت راز را بگشايد شما حدسي داريد؟

پي نوشت ها :
 

*Massive Astronomical Compact Halo Objects
منبع: نجوم، شماره 197.