نورافكندن بر ماده ي تاريك
نويسنده: شادي حامدي آزاد
«در هر كهكشان مارپيچي، نسبت ماده ي تاريك - به - روشن حدود 10 به يك است. اين عدد را احتمالاً مي توانيم نسبت ناآگاهي - به - دانش خودمان بدانيم»
ورا روبين
وقتي ورا كوپر روبين به معلم فيزيك دبيرستان خود گفت كه در كالج واسار پذيرفته شده است، آقاي معلم در جوابش گفت: «خيلي خوبه. به شرطي كه طرف علم نَري». البته ورا تصميم گرفت حرف او و بسياري ديگر از اطرافيانش را ناديده بگيرد كه تصميم بسيار درستي بود.
خانم روبين، كه امروزه پژوهشگر ارشد مؤسسه ي كارنگي است، يكي از پيش گامان كار بر آهنگ چرخش كهكشان ها محسوب مي شود. اعتبار كار او به سبب اثبات وجود «ماده ي تاريك» يا جرم ناروشن است كه درك ما را از عالم هستي به كلّ متحول كرد. اين كه دقيقاً چند درصدِ ماده ي عالم را ماده ي تاريك تشكيل مي دهد همچنان پرسشي بي پاسخ است. كمي پس از كشف روبين تخمين ها مي گفت 95 درصد ماده ي عالم ماده ي تاريك است. حالا ظاهراً كشف هاي ديگر نشان مي دهند كه «ماده ي معمولي» (يعني زمين و ستاره ها و اجرام مشابه) حدود 5 درصد، و ماده ي تاريك 30 درصد ماده ي عالم را تشكيل مي دهند و بقيه ي 65 درصد را چيزي به نام انرژي تاريك شكل مي دهد كه درباره اش اطلاعات كاملي نداريم.
ورا روبين در سال 1928 ميلادي در فيلادلفيا، ايالت پنسيلوانيا در آمريكا به دنيا آمد. او در كودكي با تماشاي آسمان شب از اتاق خوابش به نجوم علاقه مند شد. پدرش، هرچند كه از آينده ي شغلي نجوم اطمينان نداشت، سعي كرد به او در اين راه كمك كند و پشتيبانش باشد. پدرش كمك كرد تا وِرا نخستين تلسكوپش را بسازد و همراه او در شب هاي رصدي عمومي شركت مي كرد. او پس از مدرسه توانست از كالج واسار، كه يكي از قديمي ترين و معتبرترين دانشگاه هاي زنانه در ايالت نيويورك آمريكاست، پذيرش بگيرد و وارد آن جا شود. روبين در سال 1327/ 1948 از كالج واسار فارغ التحصيل شد و براي ادامه تحصيل از دانشگاه پرينستون تقاضاي پذيرش كرد اما رد شد زيرا آن ها زنان را در رشته ي نجوم نمي پذيرفتند و اين شرايط تا سال 1354/ 1975 ادامه داشت. بنابراين به دانشگاه كُرنل رفت و زير نظر استاداني مانند فيليپ موريسون، ريچارد فاينمن، و هانس بِته به تحصيل فيزيك پرداخت و پس از آن، دكترايش را در سال 1333/ 1954 از دانشگاه جرج تاون و زير نظر ژرژ گاموف گرفت. او همچنين از دانشگاه هاي ديگري، از جمله هاروارد و يِيل، دكتراي افتخاري علوم دريافت كرده و تا به حال 114 مقاله ي پژوهشي منتشر كرده است.
... پس از چند سال تدريس در دانشگاه جرج تاون، سِمَت پژوهشي اي در مؤسسه ي كارنگي در واشينگن به دست آورد. كار او متمركز بر رصد حركت هاي كهكشان ها بود. او با كِنت فورد، اخترشناسي كه طيف سنجي حساس ساخته بود، هم گروه شد. روبين و فورد با همان طيف سنج نور آمده از ستاره ها را در بخش هاي گوناگون كهكشان هاي مارپيچي سنجيدند. ستاره ها در قرص كهكشان تقريباً در مدارهاي دايره اي به دور مركز مي گردند. اگر قرص كهكشان نسبت به امتداد خط ديد ما تمايل داشته باشد، ستاره هاي يك سمت به ما نزديك و ستاره هاي سمت ديگر از ما دور مي شوند. وقتي چشمه ي نوري به ما نزديك مي شود طول موجش كوتاه تر (انتقال به آبي)، و زماني كه از ما دور مي شود طول موجش بلندتر مي شود (انتقال به سرخ). تغيير و جا به جايي طول موج نور (اثر دوپلر) بستگي به سرعت چشمه ي نور نسبت به رصدگر دارد. روبين و فورد اثر دوپلر را در سرتاسر قرص هاي چند كهكشان به دقت سنجيدند و توانستند سرعت مداري ستاره ها را در بخش هاي مختلف آن ها محاسبه كنند.
وقتي روبين و فورد رصد اثر دوپلر در سرعت مداري ستاره ها در كهكشان هاي مارپيچي را آغاز كردند، بلافاصله چيزي خلاف پيش بيني ها يافتند. ستاره هايي كه دورتر از مركز كهكشان، در نواحي خارجيِ كم جمعيت تر، بودند هم سرعت با ستاره هاي دروني حركت مي كردند. اين عجيب است زيرا جرم مرئي كهكشان به اندازه ي كافي گرانش ندارد كه بتواند چنين ستاره هاي سريعي را در مدار نگه دارد. نتيجه اين كه بايد مقادير عظيمي از ماده اي نامرئي در نواحي بيروني تر كهكشان ها، جايي كه تعداد ستاره هاي مرئي نسبتاً كم است، وجود داشته باشد. روبين و فورد حدود 60 كهكشان مارپيچي را بررسي كردند و همواره نتيجه يكسان بود.
محاسبات او نشان داد كه كهكشان ها بايد ده برابر ماده ي مرئي خود شامل ماده اي «تاريك» باشند. به عبارت ديگر، دست كم 90 درصد جرم كهكشان ها، و بنابراين جرم عالم رصدپذير، نامرئي و آشكارنشده است. آنگاه بود كه روبين به ياد آورد در دوران دانشجويي درباره ي پژوهش هاي قديمي تر درباره ي شواهدي از ماده ي نامرئي در عالم مطالبي خوانده بود. در سال 1312/ 1933 فريتز زوييكي، اخترشناس سوييسي، سرعت هاي دوپلري همه ي كهكشان هاي خوشه ي گيسو را بررسي كرده بود. او دريافته بود كه هر كهكشان درون اين خوشه با چنان سرعتي حركت مي كند كه اگر خوشه فقط از ماده ي مرئي تشكيل شده باشد اين ستاره ها از دام گرانش خوشه مي گريزند. از آنجا كه اثري از ازهم پاشيدن در خوشه ديده نمي شود، اين خوشه بايد شامل «ماده ي تاريك» - به ميزان ده برابر ماده ي روشن - باشد تا منسجم بماند. نتيجه گيري زوييكي درست بود اما همكارانش شك داشتند. روبين دريافت كه شواهدي قطعي براي اثبات وجود ماده ي تاريكِ زوييكي را يافته است؛ در واقع بيشتر ماده ي عالم از ديد ما پنهان است.
بسياري از اخترشناسان در ابتدا مايل به پذيرفتن اين نتيجه گيري نبودند. اما رصدها آن قدر واضح و تفسيرها آن قدر مستقيم بود كه آن ها دريافتند روبين احتمالاً درست مي گويد. در واقع ستاره هاي روشن فقط ردپايي مرئي از جرم بسيار بزرگ تري است كه كهكشان را تشكيل داده است. شايد حتي در فضاي گسترده ي ميان كهكشان ها توده هاي عظيمي از ماده ي تاريك وجود داشته باشد. اما اگر هم چنين باشد رصد اين ماده بسيار دشوار خواهد بود.
ورا روبين به كاوش كهكشان ها ادامه داد. در سال 1371/ 1992، كهكشاني را يافت (NGC 4550) كه در آن نيمي از ستاره هاي درون قرص كهكشان در يك جهت و نيمي ديگر در جهتي ديگر به دور مركز مي گردند. شايد اين پديده حاصل ادغام دو كهكشاني باشد كه جهت چرخش آن ها با هم متفاوت بوده است. روبين از آن زمان چندين كهكشان ديگر با رفتارهاي عجيب كشف كرده است.
ورا روبين نه تنها در سِمَت اخترشناس بلكه در مقام يك زن براي خود اسم و رسمي به دست آورده است؛ او شجاعانه در برابر نقدهاي بي رحمانه به كارش ايستاد تا سرانجام توانست عضو منتخب آكادمي ملي علوم (در آن زمان فقط سه زن عضو اين آكادمي بودند) و برنده ي برترين جايزه ي آمريكا در علم شود؛ يعني مدال ملي علم. او برنده ي چندين جايزه ي معتبر ديگر نيز شده است؛ از جمله مدال طلاي انجمن سلطنتي نجوم در سال 1375 (او دومين زني بود كه اين جايزه را دريافت كرد؛ نفر نخست كارولين هرشل بود)، جايزه ي كيهان شناسي بنياد پيتر گروبِر در سال 1381، و چند جايزه ي ديگر. هرچند اين ها خيلي هم براي روبين ارزشمند نيستند. او مي گويد: «اعدادي كه من در محاسبات و رصدهايم به دست آوردم از نام و شهرت برايم باارزش ترند. اگر هنوز بعد از سال ها، دانشمندان از داده هاي پژوهش هاي من بهره مي گيرند، اين بزرگ ترين افتخار من است.»
منبع : نشريه ي نجوم، شماره ي 209
ورا روبين
وقتي ورا كوپر روبين به معلم فيزيك دبيرستان خود گفت كه در كالج واسار پذيرفته شده است، آقاي معلم در جوابش گفت: «خيلي خوبه. به شرطي كه طرف علم نَري». البته ورا تصميم گرفت حرف او و بسياري ديگر از اطرافيانش را ناديده بگيرد كه تصميم بسيار درستي بود.
خانم روبين، كه امروزه پژوهشگر ارشد مؤسسه ي كارنگي است، يكي از پيش گامان كار بر آهنگ چرخش كهكشان ها محسوب مي شود. اعتبار كار او به سبب اثبات وجود «ماده ي تاريك» يا جرم ناروشن است كه درك ما را از عالم هستي به كلّ متحول كرد. اين كه دقيقاً چند درصدِ ماده ي عالم را ماده ي تاريك تشكيل مي دهد همچنان پرسشي بي پاسخ است. كمي پس از كشف روبين تخمين ها مي گفت 95 درصد ماده ي عالم ماده ي تاريك است. حالا ظاهراً كشف هاي ديگر نشان مي دهند كه «ماده ي معمولي» (يعني زمين و ستاره ها و اجرام مشابه) حدود 5 درصد، و ماده ي تاريك 30 درصد ماده ي عالم را تشكيل مي دهند و بقيه ي 65 درصد را چيزي به نام انرژي تاريك شكل مي دهد كه درباره اش اطلاعات كاملي نداريم.
ورا روبين در سال 1928 ميلادي در فيلادلفيا، ايالت پنسيلوانيا در آمريكا به دنيا آمد. او در كودكي با تماشاي آسمان شب از اتاق خوابش به نجوم علاقه مند شد. پدرش، هرچند كه از آينده ي شغلي نجوم اطمينان نداشت، سعي كرد به او در اين راه كمك كند و پشتيبانش باشد. پدرش كمك كرد تا وِرا نخستين تلسكوپش را بسازد و همراه او در شب هاي رصدي عمومي شركت مي كرد. او پس از مدرسه توانست از كالج واسار، كه يكي از قديمي ترين و معتبرترين دانشگاه هاي زنانه در ايالت نيويورك آمريكاست، پذيرش بگيرد و وارد آن جا شود. روبين در سال 1327/ 1948 از كالج واسار فارغ التحصيل شد و براي ادامه تحصيل از دانشگاه پرينستون تقاضاي پذيرش كرد اما رد شد زيرا آن ها زنان را در رشته ي نجوم نمي پذيرفتند و اين شرايط تا سال 1354/ 1975 ادامه داشت. بنابراين به دانشگاه كُرنل رفت و زير نظر استاداني مانند فيليپ موريسون، ريچارد فاينمن، و هانس بِته به تحصيل فيزيك پرداخت و پس از آن، دكترايش را در سال 1333/ 1954 از دانشگاه جرج تاون و زير نظر ژرژ گاموف گرفت. او همچنين از دانشگاه هاي ديگري، از جمله هاروارد و يِيل، دكتراي افتخاري علوم دريافت كرده و تا به حال 114 مقاله ي پژوهشي منتشر كرده است.
... پس از چند سال تدريس در دانشگاه جرج تاون، سِمَت پژوهشي اي در مؤسسه ي كارنگي در واشينگن به دست آورد. كار او متمركز بر رصد حركت هاي كهكشان ها بود. او با كِنت فورد، اخترشناسي كه طيف سنجي حساس ساخته بود، هم گروه شد. روبين و فورد با همان طيف سنج نور آمده از ستاره ها را در بخش هاي گوناگون كهكشان هاي مارپيچي سنجيدند. ستاره ها در قرص كهكشان تقريباً در مدارهاي دايره اي به دور مركز مي گردند. اگر قرص كهكشان نسبت به امتداد خط ديد ما تمايل داشته باشد، ستاره هاي يك سمت به ما نزديك و ستاره هاي سمت ديگر از ما دور مي شوند. وقتي چشمه ي نوري به ما نزديك مي شود طول موجش كوتاه تر (انتقال به آبي)، و زماني كه از ما دور مي شود طول موجش بلندتر مي شود (انتقال به سرخ). تغيير و جا به جايي طول موج نور (اثر دوپلر) بستگي به سرعت چشمه ي نور نسبت به رصدگر دارد. روبين و فورد اثر دوپلر را در سرتاسر قرص هاي چند كهكشان به دقت سنجيدند و توانستند سرعت مداري ستاره ها را در بخش هاي مختلف آن ها محاسبه كنند.
وقتي روبين و فورد رصد اثر دوپلر در سرعت مداري ستاره ها در كهكشان هاي مارپيچي را آغاز كردند، بلافاصله چيزي خلاف پيش بيني ها يافتند. ستاره هايي كه دورتر از مركز كهكشان، در نواحي خارجيِ كم جمعيت تر، بودند هم سرعت با ستاره هاي دروني حركت مي كردند. اين عجيب است زيرا جرم مرئي كهكشان به اندازه ي كافي گرانش ندارد كه بتواند چنين ستاره هاي سريعي را در مدار نگه دارد. نتيجه اين كه بايد مقادير عظيمي از ماده اي نامرئي در نواحي بيروني تر كهكشان ها، جايي كه تعداد ستاره هاي مرئي نسبتاً كم است، وجود داشته باشد. روبين و فورد حدود 60 كهكشان مارپيچي را بررسي كردند و همواره نتيجه يكسان بود.
محاسبات او نشان داد كه كهكشان ها بايد ده برابر ماده ي مرئي خود شامل ماده اي «تاريك» باشند. به عبارت ديگر، دست كم 90 درصد جرم كهكشان ها، و بنابراين جرم عالم رصدپذير، نامرئي و آشكارنشده است. آنگاه بود كه روبين به ياد آورد در دوران دانشجويي درباره ي پژوهش هاي قديمي تر درباره ي شواهدي از ماده ي نامرئي در عالم مطالبي خوانده بود. در سال 1312/ 1933 فريتز زوييكي، اخترشناس سوييسي، سرعت هاي دوپلري همه ي كهكشان هاي خوشه ي گيسو را بررسي كرده بود. او دريافته بود كه هر كهكشان درون اين خوشه با چنان سرعتي حركت مي كند كه اگر خوشه فقط از ماده ي مرئي تشكيل شده باشد اين ستاره ها از دام گرانش خوشه مي گريزند. از آنجا كه اثري از ازهم پاشيدن در خوشه ديده نمي شود، اين خوشه بايد شامل «ماده ي تاريك» - به ميزان ده برابر ماده ي روشن - باشد تا منسجم بماند. نتيجه گيري زوييكي درست بود اما همكارانش شك داشتند. روبين دريافت كه شواهدي قطعي براي اثبات وجود ماده ي تاريكِ زوييكي را يافته است؛ در واقع بيشتر ماده ي عالم از ديد ما پنهان است.
بسياري از اخترشناسان در ابتدا مايل به پذيرفتن اين نتيجه گيري نبودند. اما رصدها آن قدر واضح و تفسيرها آن قدر مستقيم بود كه آن ها دريافتند روبين احتمالاً درست مي گويد. در واقع ستاره هاي روشن فقط ردپايي مرئي از جرم بسيار بزرگ تري است كه كهكشان را تشكيل داده است. شايد حتي در فضاي گسترده ي ميان كهكشان ها توده هاي عظيمي از ماده ي تاريك وجود داشته باشد. اما اگر هم چنين باشد رصد اين ماده بسيار دشوار خواهد بود.
ورا روبين به كاوش كهكشان ها ادامه داد. در سال 1371/ 1992، كهكشاني را يافت (NGC 4550) كه در آن نيمي از ستاره هاي درون قرص كهكشان در يك جهت و نيمي ديگر در جهتي ديگر به دور مركز مي گردند. شايد اين پديده حاصل ادغام دو كهكشاني باشد كه جهت چرخش آن ها با هم متفاوت بوده است. روبين از آن زمان چندين كهكشان ديگر با رفتارهاي عجيب كشف كرده است.
ورا روبين نه تنها در سِمَت اخترشناس بلكه در مقام يك زن براي خود اسم و رسمي به دست آورده است؛ او شجاعانه در برابر نقدهاي بي رحمانه به كارش ايستاد تا سرانجام توانست عضو منتخب آكادمي ملي علوم (در آن زمان فقط سه زن عضو اين آكادمي بودند) و برنده ي برترين جايزه ي آمريكا در علم شود؛ يعني مدال ملي علم. او برنده ي چندين جايزه ي معتبر ديگر نيز شده است؛ از جمله مدال طلاي انجمن سلطنتي نجوم در سال 1375 (او دومين زني بود كه اين جايزه را دريافت كرد؛ نفر نخست كارولين هرشل بود)، جايزه ي كيهان شناسي بنياد پيتر گروبِر در سال 1381، و چند جايزه ي ديگر. هرچند اين ها خيلي هم براي روبين ارزشمند نيستند. او مي گويد: «اعدادي كه من در محاسبات و رصدهايم به دست آوردم از نام و شهرت برايم باارزش ترند. اگر هنوز بعد از سال ها، دانشمندان از داده هاي پژوهش هاي من بهره مي گيرند، اين بزرگ ترين افتخار من است.»
منبع : نشريه ي نجوم، شماره ي 209
