خیلی دور خیلی تاریک

یکی از مهم‌ترین نمونه‌های این همخوان نبودن حدود 80 سال پیش، زمانی که کیهان‌شناس سوئیسی فریتز زوئیکی مشغول تخمین زدن جرم تعدادی کهکشان دوردست بود اتفاق افتاد. جرمی که او براساس سرعت و چگونگی حرکت کهکشان ها بر اساس قوانین نیوتن محاسبه کرد 400 برابر جرمی بود که بر اساس شدت روشنایی آنها تخمین زده شده بود. دانشمندان تا حدود 30 سال پیش اهمیت چندانی به محاسبات عجیب زوئیکی و مشاهدات دیگران نشان ندادند، ولی در نهایت راه ‌حلی برای یافتن پاسخ این معما پیشنهاد شد که علم کیهان‌شناسی را وارد چالش جدیدی کرد. مشخص شد که همه ستاره‌ها، سیاره‌ها، عناصر و ذرات قابل مشاهده در عالم به علاوه مقدار قابل توجهی گاز که در فضای بین کهکشان‌ها وجود دارد، در مجموع چیزی حدود 4 درصد از جهان مادی پیرامون ما را تشکیل می‌دهد. حدود شش برابر بیشتر از این مقدار یعنی 23 درصد جهان نیز از ماده‌ای تشکیل می شود که تأثیر جرم آن در حرکت کهکشان‌ها به وضوح قابل مشاهده است؛ هرچند خود این ماده را نمی‌توان به طور مستقیم مشاهده کرد. البته دلیل این ناتوانی به هیچ وجه پیچیده و ماورایی نیست. حس بینایی زمانی کارایی دارد که یک موج الکترومغناطیسی در محدوده طول موج مرئی به یک ماده برخورد کند و بازتاب آن اعصاب بینایی چشم را تحریک کند تا انسان بتواند آن ماده را ببیند. ولی در مورد ماده تاریک، موج الکترومغناطیسی تابیده شده به آن، بدون این‌که هیچ بازتابی داشته باشد (یا با بازتابی بسیار ناچیز)، از درون آن عبور می کند. از سال 1933 تا به امروز تلاش‌های فراوانی برای آشکارسازی غیرمستقیم ماده تاریک صورت گرفته. گرچه این تلاش‌ها هنوز به طور کامل به ثمر ننشسته، ولی دستاوردهای اخیر دانشمندان آنها را به حل مساله ماده تاریک ​ طی دو سال آینده امیدوار کرده است.

تصورات دانشمندان از ماهیت ماده تاریک

کار دانشمندان برای حدس ماهیت ماده تاریک بسیار دشوار است. زیرا هر احتمالی به محض مطرح شدن با مشاهدات و داده‌های فراوان اخترشناختی سنجیده می‌شود و اگر از عهده توجیه آنها بر نیاید بیرحمانه کنار گذاشته می‌شود. برخی از مهم‌ترین کاندیداهای گذشته و امروز ماده تاریک عبارتند از:

ماده تاریک سرد

مدل ماده تاریک سرد یکی از کاندیداهای پاسخ به معمای ماده تاریک بود که فقط گرانش را تجربه می‌کرد و با ذرات دیگر مانند فوتون ها یا همان ذرات نور برهم کنشی انجام نمی داد. این مدل با مشاهدات مدارگرد کوبی (COBE) که حدود 20 سال پیش به فضا فرستاده شد همخوانی نداشت و به دلیل پیش‌بینی نادرست در مورد تعداد کهکشان های موجود در عالم با شکست مواجه شد. مدل ماده تاریک سرد وجود تعداد زیادی کهکشان اقماری اطراف کهکشان راه شیری را پیش‌بینی می‌کرد؛ درصورتی که این تعداد در واقع فقط سه کهکشان بود.

ماده تاریک چند جزئی با طعم مخلوط

تعجب نکنید! این نام عجیب تازه‌ترین کاندیدای ماده تاریک است که پروفسور میخائیل مدودف از دانشگاه کانزاس پیشنهاد کرده و توانسته به وسیله آن بسیاری از مشکلات مدل‌های دیگر را حل کند. این مدل ماهیت ماده تاریک را این‌طور توضیح می‌دهد که همزمان چند جرم مختلف دارد. مدودف این پدیده را با استفاده از مثال نور سفید شرح می‌دهد: همان‌طور که نور سفید از ترکیب رنگ‌ها (طعم‌ها)ی مختلف تشکیل شده و در عین حال یک رنگ واحد (سفید) دارد، ماده تاریک هم از مخلوط چند جرم مختلف به صورت همزمان تشکیل شده است. اگر یکی از رنگ‌های نور سفید شدیدتر از میزان عادی شود، نور سفید به رنگ نور غالب در‌می‌آید. ماده تاریک مخلوط هم ترکیبی از چند ذره است که شدت و ضعف جرم هر یک از آنها می‌تواند به تغییر ویژگی های ماده تاریک مخلوط منتهی شود. اعضای پرتعداد گروه تحت سرپرستی او برای دستیابی به این نتیجه مهم، در مجموع دو میلیون ـ نفر ساعت (معادل 230 نفر ـ سال) کار شبیه‌سازی رایانه‌ای انجام داده است. ماده تاریک مورد نظر او بر خلاف ماده تاریک سرد، با فوتون‌ها و نوترینوها بر هم کنش دارد. (نوترینو یکی از ذرات بنیادی است که در لحظه انفجار بزرگ به مقدار بسیار زیاد تولید شد. این ذره تمایل بسیار اندکی برای برهم کنش با ذرات دیگر از خود نشان می‌دهد) بنابراین ماده تاریک را پراکنده می‌کند و برخلاف مدل ماده تاریک سرد، کهکشان های زیادی شکل نمی‌گیرد. به عبارت دیگر، پس از انفجار بزرگ (مهبانگ یاBigBang) هاله‌های ماده تاریک گازهای حاصل از انفجار را به دام انداختند تا کهکشان‌ها شکل بگیرد. ولی پس از مدت کوتاهی قبل از تشکیل کهکشان‌های بیشتر پراکنده شدند. این فرضیه به قدری جدید است که هنوز برنامه‌ای در مورد چگونگی آشکارسازی این ذره ارائه نشده است.

ذره پرجرم با قدرت برهم کنش ضعیف (ویمپ)

این ذره بسیار سنگین‌تر از پروتون است و فراوانی آن نیز بسیار کمتر از پروتون تخمین زده می‌شود. «آزمایشگاه بزرگ و زیرزمینی زنون در داکوتای جنوبی» به طور خاص برای آشکارسازی این ذره طراحی و ساخته شد که البته اولین آزمایش رسمی آن در سال گذشته موفق به آشکارسازی این ذره نشد. این آزمایشگاه یک برنامه سه ساله برای آشکارسازی ویمپ تعریف کرده که هنوز دو سال از آن باقی مانده است. آنها همچنین در حال همکاری با مرکز اروپایی زپلین برای ساخت آزمایشگاه لاکس ـ زپلین هستند که قرار است از هفت تن زنون مایع و سیستم‌های بسیار پیشرفته برای آشکارسازی ویمپ استفاده کند. اگر ویمپ با هسته اتم زنون برخورد کند باعث تغییرات قابل مشاهده در آن می‌شود.

بازگشت به گذشته

کشورهای ایالات متحده، کانادا، ایتالیا و چین موضوع ساخت آشکارسازهای بزرگ و حساس را به طور جدی دنبال می‌کنند که توضیح کامل تلاش‌های آنها در این نوشته مقدور نیست. امسال یازدهمین سمپوزیوم ماده تاریک هم در دانشگاه کالیفرنیا در لس‌آنجلس برگزار شد. دانشمندان حاضر در این سمپوزیم دوسالانه ابراز امیدواری کردند با توجه به دستاوردهای مهم فعلی بتوانند در دوره بعد مسأله ماده تاریک را حل شده اعلام کنند. پذیرفتن این نکته که این همه تلاش و کوشش طاقت‌فرسای دانشمندان و محققان از ابتدای شکل‌گیری علم فیزیک تا کنون فقط برای توضیح 4 درصد از عالم هستی کاربرد دارد، بهت‌آور است.

میچیو کاکو، استاد دانشگاه سیتی کالج نیویورک معتقد است اگر ثابت شود با نوع کاملا متفاوتی از ماده سر و کار داریم «علم به چند قرن قبل‌تر، یعنی قبل از ظهور فرضیه اتمی بازگشته است.» البته آشکارسازی 23 درصد ماده تاریک هم پایان کار نیست و فیزیکدانان باید چاره‌ای برای توضیح 73 درصد ناشناخته باقیمانده از محتوای جهان هستی، یعنی انرژی تاریک بیندیشند.

اکسیون

ذره‌ای کم‌جرم است که پس از ورود به دستگاه آشکارساز «اِی ـ دی ـ ام ـ ایکس نسل 2» با احتمالی بسیار ناچیز ولی غیر صفر به فوتون تبدیل می‌شود. این دستگاه در دانشگاه واشنگتن قرار دارد و مانند دیگر آزمایشگاه‌های پیشرفته، دانشمندانی از سراسر دنیا در آن مشغول فعالیت هستند. اهمیت اکسیون‌ها طی چند روز گذشته بشدت افزایش یافت. زیرا دانشمندان دانشگاه لستر انگلیس ظاهرا شواهدی محکم برای وجود آنها ارائه کرده‌اند. آنها با سیگنال‌های غیرمنتظره‌ای در تابش ثابت پس‌زمینه اشعه ایکس در جو زمین روبه‌رو شدند که تنها توضیح قانع‌کننده برای پدید آمدن آنها پذیرفتن این احتمال بود که ذرات اکسیون پس از تولید شدن در مرکز خورشید و برخورد به میدان مغناطیسی زمین به اشعه ایکس تبدیل شده و رصدخانه فضایی «ایکس ـ ام ـ ام نیوتن» موفق به ثبت آنها شده است.

مسعود توکلی / جام جم​