ماده تاریک چه می تواند باشد؟

این چه ترکیبی از کلمه هاست که کیهان شناسان ساخته اند؟ مگر ماده تاریک می شود؟ فقط این ترکیب نیست که غریب است، ما انرژی تاریک هم داریم! این چه فرایندی بوده که منجر به این ترکیب دو یا چند کلمه «تاریک»، «ماده» و «انرژی» شده است؟ چگونه این مفهوم نوین شکل گرفته است؟ توسعه اندیشه بشری همواره همراه بوده است با مفهوم سازی های جدید، ایا این مفهوم ماده تاریک هم منجر به توسعه علمی شده است یا خواهد شد؟
 
درک ما در علوم فیزیکی از ماده کما بیش همان است که در عرف عادی مردم است. مهم ترین ویژگی ای که به ماده نسبت می دهیم جرم است؛ گرچه بار الکتریکی هم هست، اما ظاهراً با بار تاکنون مشکلی پیش نیامده، اما با جرم چرا! تازه در نسبیت هم یاد گرفته ایم انرژی را هم کما بیش با جرم مترادف بگیریم، جرم، بر خلاف انتظار، مفهوم بسیار پیچیده ای است که تکوین آن به صورت امروزین در علوم فیزیکی دست کم هزار سال طول کشیده است.

در گذشته ما به اجسام کیهانی، اجسامی که در آسمان هستند، «جرم» می گفتیم؛ کما این که در زبان فارسی هنوز به کار بردن عبارت «اجرام آسمانی» برای اجسام یا اشیای کیهانی مصطلح است. به مرور در ذهن فیلسوفان و طبیعیون در ارتباط میان ماده و حرکت، لفظ جرم و مفهومی جدید نقش پیدا کرد اخوان الصفا، در دوران اسلامی، گام مهمی در این جهت برداشتند اما گام نهایی در فیزیک نیوتنی برداشته شد که جرم به یک ویژگی ماده اطلاق شد؛ ویژگی ای که در مقابل نیرو مقاومت نشان می داد و ما امروزه به آن جرم لَختی می گوییم. این ویژگی در فیزیک نیوتنی یکی انگاشته شد با ویژگی دیگری که آن را امروزه جرم گرانشی می خوانیم: هر جسم نیروی گرانشی تولید می کند که با جرم گرانشی آن متناسب است. اما در نسبیت عام این دو جرم از هم تفکیک شد و یکی بدون آنها تبدیل به امری تجربی.

اندازه گیری این جرم در علوم فیزیکی نوین به امری بدیهی تبدیل شده است، که راه های متفاوتی هم برای آن وجود دارد.

جرم «اجرام آسمانی» چگونه اندازه گیری می شود؟ از چگونگی حرکت یک ذره در اطراف زمین، مثلاً سرعت سقوط آن، می توان جرم زمین را تعیین کرد. همین طور از حرکت زمین به دور خورشید جرم خورشید به دست می آید. ستاره های درون کهکشان کمابیش به اندازه خورشیدند، پس با جمع کردن جرم آنها جرم کهکشان به دست می آید. حالا اگر ستاره ای مثلاً به دور کهکشان بگردد از چگونگی سرعت آن هم می توان جرم کهکشان را به دست آورد. اما متوجه هستید که این دو روش متفاوت اند، گرچه انتظار داریم نتیجه یکسانی به دست بدهند. پس چه می شود اگر این دو نتیجه یکی نباشد؟ چالشی برای اختر فیزیک؟ بله همین طور است!
در سال 1313/1934 فریتس تسویکی منجم آمریکایی سوییسی تبار با تحلیل داده های رصدی مربوط به مجموعه های کهکشانی به این نتیجه رسید که ماده موجود در این مجموعه ها حدود 10 برابر ماده مرئی آن هاست.

به عبارت دیگر، ما فقط 10 درصد از ماده این مجموعه ها را می بینیم و بقیه ماده آن ها را نمی توانیم آشکار کنیم. تحلیل تسویکی بر پایه اندازه گیری سرعت کهکشان های منفرد مجموعه بود: اگر ماده نامرئی وجود نمی داشت، تاکنون اثر مجموعه ها کهکشانی از هم می پاشیدند. این نخستین چالش میان اندازه گیری جرم از طریق شمارش کهکشان ها و نیز از طریق دینامیک، یعنی حرکت اجرام منفرد در خوشه، بود.

در آغاز، این ماده را «ماده گم شده» نامیدند. اما اصطلاح درستی نبود. چیزی گم نشده بود، بلکه وجود داشت ولی ما نمی توانستیم ببینیم. از آن رو، از دهه شصت/ هشتاد به مرور اصطلاح «ماده تاریک» متداول شد. منجمان و کیهان شناسان در برابر پرسش های مهم و اساسی قرار گرفتند: ماده تاریک چیست؟ در کجاها وجود دارد؟ چگونه توزیع شده است؟ آیا فقط در مجموعه های کهکشانی است یا درون هر کهکشان هم وجود دارد؟ توجه کنید منظور از ماده تاریک ماده ای است که جرم آن را از حرکت یا دینامیک استنباط می کنیم اما نمی توانیم اندازه بگیریم.
ورا روبین، منجمی از موسسه واشنگتن، در دهه 1350 شمسی با بررسی حرکت ستاره ها به دور مرکز کهکشان به این نتیجه رسید که بخش مرئی کهکشان ما را هم مقادیر بسیاری از ماده تاریک پر کرده است چون که ستاره های دوردست کهکشان، که می باید با سرعت کمتری به دور مرکز کهکشان بگردند، با سرعتی در حدود 250 کیلومتر در ثانیه در گردش اند! چه نیرویی جز ماده تاریک می تواند آنها را این چنین به گردش در آورد؟ محتمل ترین محل وجود ماده تاریک در کهکشان، هاله ای است که کهکشان را در بر گرفته است. ولی آیا ماده تاریک کهکشان ها از همان جنس ماده تاریک کل عالم است؟
این ماده تاریک از چه نوع است و کجا پنهان است؟ طبیعی است که بخشی از آن را غبار، گاز و یا ستاره های کوتوله یا سیاره ها تشکیل دهند، که همگی از نوع معمول ماده اند، که آن را ماده باریونی می نامیم.اما ممکن نیست همه ماده تاریک به صورت غبار باشد، چون مقادیر عظیم غبار، نور کهکشان های دوردست را تیره و تار می کند؛ و همچنین این که عمده ماده تاریک به شکل سیاه چاله یا ستاره نوترونی نیست، چرا که در این صورت ریزش گاز و غبار به این گرداب های گرانشی آن قدر پرتو ایکس تولید می کرد که مسلماً بخش عمده آن آشکار می شد. پس باید به دنبال نامزدهای دیگری بود. در فهرست این نامزدها بر اسامی کوتوله های قهوه ای، کوتوله های سیاه، سیاره های مشتری گون و سرانجام ذرات غریب بر می خوریم.

کوتوله های قهوه ای در واقع ستاره های نارس اند؛ نه در جرگه سیاره ای گازی مانند مشتری قرار می گیرند و نه آن قدر بزرگ اند که به ستاره تبدیل بشوند. باید تعداد بسیاری از این کوتوله ها کشف شوند تا نامزد قابل اعتنایی برای حل مسئله ماده تاریک باشد. کوتوله های سیاه نقطه ی پایان حیات ستاره های کم جرم اند. ولی تا ستاره ای به کوتوله سیاه تبدیل بشود دست کم 10 میلیارد سال باید بگذرد. عمر کهکشان ما هم در همین حدود است. آیا اصلاً در کهکشان ما کوتوله سیاهی به وجود آمده است؟ چند درصد کوتوله قهوه ای هست؟ چه تعداد سیاره مشتری گون- که باید آنها را در کنار ستاره مادرشان جست و جو کرد- وجود دارد؟

در دهه 1370/1990 دو گروه از اخترشناسان به دنبال کشف کوتوله های درون کهکشان خودمان رفتند تا شاید راز ماده تاریک را کشف کنند. این کوتوله ها را اجرام پرجرم فشرده در هاله، یا به اختصار ماچو (MACHO)* نامیدند. انتظار اخترشناسان همواره این بوده است که بتوان اثر گرانشی ماچوها را -که باید عمدتاً در هاله کهکشان ها یافت شوند- رصد کرد. پاچینسکی در دهه 1360/1980 مطرح کرده بود که شاید بتوان اثر ریز هم گرایی این ستاره ها را دید. می دانیم که میدان گرانشی هر جرم فشرده، نوری را که از چشمه ای در پشت آن می آید منحرف می کند، همان گونه که عدسی اپتیکی رفتار می کند. این اثر را هم گرایی گرانشی می نامند و جسمی را که باعث هم گرایی می شود عدسی گرانشی. یک مجموعه کهکشانی ممکن است مثلاً برای نور اختروشی که از فواصل کیهانی دور می آید همچون عدسی عمل کند. هریک از کهکشان های این مجموعه نیز ممکن است نقش عدسی را داشته باشند، که در این صورت از ریز هم گرایی صحبت می شود. گاهی این نقش را ستاره های یک کهکشان دارند. مثلاً تصور کنید ستاره ای از ابر بزرگ ماژلان را رصد می کنیم. نور این ستاره برای رسیدن به ما از میان هاله کهکشان خودمان می گذرد.

اگر تصادفاً ستاره کوتوله ای بی نور در هاله کهکشان (یک ماچو) سر راه آن نور قرار بگیرد باعث هم گرایی نور این ستاره می شود. محاسبات نشان داده است که به خاطر این ریز هم گرایی، نور ستاره شدت می یابد. پس در این صورت باید تغییر نور ستاره را مشاهده کرد. بدون این که خود ماچو دیده بشود. شدت افزایش نور بیش از 30 درصد است. البته ستاره های متغیر زیادند، اما افزایش نور ناشی از هم گرایی مستقل از طول موج یا رنگ است، چون به ساز و کار درون ستاره ارتباط ندارد. به علاوه فقط یک بار رخ می دهد و سپس نور ستاره به شدت پیشین خود بر می گردد. کل دوره افزایش حدود یک تا دو ماه است. این رویدادها بسیار نادرند. تخمین ها نشان می دهد که در هرزمان از میان دو میلیون ستاره فقط یک ریز هم گرایی وجود دارد. به همین علت گروه هایی که به دنبال این کشف بودند لازم بود میلیون ها ستاره را نورسنجی کنند.

نورسنجی ده ها میلیون ستاره کاری نیست که بتوان دستی انجام داد، که این خود چالشی برای این گروه های رصد بود. آن ها روش های رصدی و نرم افزاری پرقدرتی برای رصد میلیون ها ستاره در مدتی کوتاه ابداع کردند و توانستند در کنار جست و جوی ماچوها ستاره های متغیر جالب بسیاری کشف کنند. نتیجه این رصدها نشان داد که ماچوها نقشی در ماده تاریک ندارند و حداکثر 5 درصد از آن را تشکیل می دهند.

پس به نظر می رسد که ماده تاریک نمی تواند از نوع باریونی، یعنی اتم های معمولی و پروتون و نوترون باشد. نظریه های مربوط به آفرینش عناصر شیمیایی در عالم را، نظریه های ذره زایی و هسته زایی، می گویند که به هنگام مهبانگ فقط حدود 4 درصد از ، از چگالی بی بعد شده عالم، را می توان به حساب باریون ها گذاشت، پس باقی مانده این ماده غریب چیست؟ ذرات شناسان و کیهان شناسان ذره های غریبی را پیشنهاد کرده اند و آنها را دو دسته می کنند: ذرات با سرعت زیاد که ماده تاریک گرم را تشکیل می دهند، و ذرات با سرعت کم که تشکیل دهنده ماده تاریک سردند. نامزد اصلی ماده تاریک گرم نوترینو است: ذره ای بنیادی که جرم سکون آن احتمالاً غیر صفر و حدوداً برابر چند الکترون ولت است. اما در همان دهه 1360/1980 کیهان شناسان نشان دادند که اگر ماده تاریک از جنس گرم باشد ساختارهایی که در کیهان می بینیم نمی توانستند تشکیل بشوند. به علت این تناقض با تشکیل ساختار، ماده تاریک گرم کنار گذاشته شد، اما ماده تاریک سرد چه می تواند باشد؟

ماده تاریک سرد بیشتر غریب و نا آشناست، از جمله ذراتی مانند آکسیون، نوترالینو و ویمپ (مخفف عبارتی به معنی پرجرم یا بر هم کنش ضعیف). هیچ یک از این ذره های فرضی تاکنون آشکار نشده اند، گرچه چند ادعا در سال های اخیر مطرح شده است. هر فرضی درباره ماده تاریک، علاوه بر این که باید با نظریه های فیزیک ذرات سازگار باشد، روی ایجاد ساختارهایی مانند کهکشان ها و خوشه ها تأثیر می گذارد پس باید با رصد هم سازگار باشد.
تا سال 1378/1999 تصور می شد به جز چهار درصد ماده روشن، 96 درصد ماده عالم با فرض 1= باید تاریک باشد اکنون می دانیم که فقط 26 درصد ماده تاریک است، و بقیه گرچه تاریک است اما ویژگی عجیبی دارد که دیگر نمی توان آن را ماده تاریک نامید و به همین علت نام «انرژی تاریک» برای آن ابداع شده است. در چند دهه اخیر چندان به گشایش این راز کمکی نشده است جز این که می دانیم ماده تاریک گرم نیست، از جنس نوترینو نیست، و این که فقط 26 درصد ماده عالم را تشکیل می دهد پس ماده تاریک چیست؟
آیا ممکن است نظریه های دینامیکی ما، نسبیت عام، اشکال داشته باشد؟ آیا ممکن است تعبیر و نوع به کارگیری معادله های دینامیکی اشکال داشته باشد؟ آیا هنوز ذراتی مانند ویمپ وجود دارند که ماده تاریک از آنها تشکیل شده است؟ آیا شتابگر بزرگ LHC به حل این معما کمک می کند؟ نکند اشتباهی اساسی در تعریف جرم، این مشکل ماده تاریک را به وجود آورده باشد؟ تا زمانی که این معما حل نشده است شاید هنوز بتوان حدس های دیگری برای رفع مشکل مطرح کرد. حدسی موفق است که در نهایت راز را بگشاید شما حدسی دارید؟

پی نوشت ها :
 *Massive Astronomical Compact Halo Objects
منبع: نجوم، شماره 197./ راسخون