۱۱ راز درباره‌ی ماده‌ی تاریک

مجله علمی ایلیاد - در دهه‌ی ۱۹۳۰ ستاره‌شناس سوئیسی «فریتز زویکی» وجود یک ماده‌ی غیرقابل دیدن در کهکشان‌ها را اثبات کرد و آن‌را «ماده‌ی تاریک» نامید. از آن زمان تا کنون دانشمندان دیگری وجود این ماده را تصدیق کرده‌اند. نزدیک به یک قرن مطالعات متعدد روی این ماده انجام شده است، ولی ۱۱ مورد بدون پاسخ مانده‌اند که از قرار زیر هستند:

 

علیرغم مطالعات متعدد در مورد ماده‌ی تاریک، دانشمندان هنوز با اطمینان نمی‌دانند که این ماده از چه چیزی ساخته شده است. یکی از حدس‌های مهم دانشمندان در این زمینه، ساخته شدن ماده‌ی تاریک از ذرات فرضی به نام «ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف» یا «WIMP» است. این ذرات دارای رفتاری مانند نوترون هستند، ولی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سنگین‌تر از پروتون هستند. البته این حدس پرسش‌های متعدد دیگری را در پی دارد.

 

اگر ماده‌ی تاریک از WIMP ساخته شده باشد، باید در اطراف ما نیز وجود داشته باشد و همچنین باید نامرئی بوده، ولی قابل تشخیص باشد. پس چرا تا کنون آن‌را پیدا نکرده‌ایم؟ هر چند ماده‌ی تاریک دارای برهمکنش با مواد معمولی نیست، ولی باز هم احتمال کمی وجود دارد که یک ذره از ماده‌ی تاریک بتواند به ذره‌ای از مواد معمولی، مانند پروتون و الکترون برخورد کند. مطالعات گسترده مخصوصاً در سال‌های گذشته به هیچ نتیجه‌ی قابل قبولی در زمینه‌ی یک شناساگر ماده‌ی تاریک نرسیده‌اند.

 

مواد معمولی از ذراتی مانند پروتون و الکترون و حتی نوترینوها و پیون‌ها ساخته شده‌اند و به همین خاطر دانشمندان حدس می‌زنند که شاید ماده‌ی تاریک که ۸۵ درصد جهان را تشکیل داده است نیز همین اندازه پیچیده باشد. شاید پروتون تاریک با الکترون‌های تاریک ترکیب می‌شود و اتم‌های تاریک را می‌سازد! کسی نمی‌داند.

 

شاید در کنار ذرات تاریک، نیروهای تاریک نیز وجود داشته باشند که فقط توسط این ذرات حس می‌شوند. برخی از دانشمندان به دنبال فوتون‌های تاریک می‌گردند تا شاید بتوانند میدان‌های مغناطیسی تاریک را شناسایی کنند.

 

یکی از نظریه‌هایی که در کنار ذرات WIMP توجه دانشمندان را جلب کرده، تشکیل شدن مواد تاریک از ذرات آکسیون است. این ذرات بسیار سبک‌تر از پروتون هستند. مدلسازی‌های کامپیوتری نشان داده‌اند که این ذرات می‌توانند اجسامی مانند ستاره‌ها را تشکیل دهند و شاید ماده‌ی تاریک را نیز بتوانند تولید کنند.

 

ستاره‌شناسان ماده‌ی تاریک را از روی برهمکنش گرانشی آن با مواد معمولی کشف کردند. درک ماهیت اصلی این ماده نیازمند مشخصات بیشتری از آن است. تا کنون تلاش‌های دانشمندان در این زمینه بی‌نتیجه باقی مانده است.

 

ماده‌ی تاریک بسیار سنگین‌تر از ماده‌ی معمولی است و به همین دلیل به‌عنوان نیروی کنترل‌کننده‌ی ساختارهای بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی محسوب می‌شود. با این حال، اوایل سال ۲۰۱۸ دانشمندان کهکشانی یافتند که احتمالاً ماده‌ی تاریک در خود ندارد. با این حال، در تابستان یک تیم دیگر آنالیز جدیدی انجام داد و نتایج تیم قبلی را رد کرد. اکنون نمی‌دانیم که واقعاً کهکشانی بدون ماده‌ی تاریک وجود دارد یا خیر؟

 

یکی از رازهای فیزیک ذرات، نتایج گیج‌کننده‌ی آزمایشگاه اروپایی معروف به «DAMA/LIBRA» است. این شناساگر در زیر کوه‌های ایتالیا قرار دارد و به دنبال نوسانات دوره‌ای، ذرات ماده‌ی تاریک می‌گردد. از سال ۱۹۹۷ این آزمایشگاه ادعا می‌کند که توانسته است سیگنال‌های ناشی از بادهای ماده‌ی تاریک را تشخیص دهد، ولی هیچ آزمایش دیگری نتوانسته این ادعا را تایید کند.

 

یک سیگنال از جهان نخستین باعث شده فیزیکدانان فکر کنند که ماده‌ی تاریک دارای بار الکتریکی است. ستاره‌هایی که ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند، تشعشعاتی با طول موج ۲۱ سانتی‌متر منتشر می‌کنند که توسط هیدروژنِ سرد جذب می‌شوند. این فرآیندها باردار بودن ذرات ماده‌ی تاریک را نشان می‌دهند، ولی تاییدیه‌ای برای این حدسیات وجود ندارد.

 

نوترون یک ذره‌ از مواد معمولی است که طول عمر محدودی دارد. این ذره پس از ۱۴.۵ ثانیه واپاشی می‌کند و تبدیل به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو می‌شود. در آزمایش‌های مختلف زمان‌های واپاشی مختلفی برای نوترون به‌دست آمده است. بر اساس این تفاوت طول عمر نوترون، برخی از دانشمندان حدس می‌زنند که شاید در ۱ درصد از مواقع نوترون‌ها طی واپاشی تبدیل به ماده‌ی تاریک می‌شوند. هنوز هیچ شناساگری برای تشخیص این موضوع ساخته نشده است.

 

از آنجا که شناسایی و تشخیص ماده‌ی تاریک دارای چالش‌های خاص خود است، برخی از دانشمندان این پرسش را مطرح می‌کنند که آیا ماده‌ی تاریک واقعاً وجود دارد؟ تعداد کمی از فیزیکدانان این نظریه را مطرح کرده‌اند که شاید فرضیات ما درباره‌ی گرانش اشتباه باشد و نیروهای وارده بر اجسام سنگین به طریق دیگری اعمال شوند. طبق این نظریه، اصلاً ماده‌ی تاریک نمی‌تواند وجود داشته باشد. جنگ این نظریات هنوز ادامه دارد.