همه چیز راجع به ماده تاریک + 10 سوال

ماده تاریک

با هفت آسمان همراه باشید و جدیدترین اخبار نجوم را از ما دریافت کنید . در ادامه مطلب  راجع به ماده تاریک , تاریخچه آن ,نظزیه های ماده تاریک و .... صحبت خواهیم کرد و  درانتها  به سوالاتی از قبیل :ماده تاریک چیست؟ آیا می‌توانیم ماده تاریک را تشخیص دهیم؟ آیا ماده تاریک از بیش از یک ذره تشکیل شده است؟ آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟ آیا ماده تاریک می‌تواند از آکسیون‌ها ساخته شود؟ خواص ماده تاریک چیست؟ آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد ؟ آیا ماده تاریک می‌تواند بار الکتریکی داشته باشد؟ آیا ذرات معمولی می‌تواند به ماده تاریک تجزیه شود؟ آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟ پاسخ خواهیم داد پس با 7aseman  همراه باشید .

ستاره‌شناس مشهور آمریکایی «کارل سیگن» (Carl Sagan) (که البته بین ایرانی‌ها به اشتباه «ساگان» نامیده می‌شود) یک بار در جایی گفته است دلیل اینکه علم را به داستان‌های علمی-تخیلی ترجیح می‌دهد، این است که از نظر او علم عجیب و غریب‌تر است. برای مثال، اجازه دهید بزرگی این ادعای علمی را بسنجیم: «یک کهکشان دومی وجود دارد که تقریبا به اندازه کهکشان راه شیری ما فضا اشغال کرده است؛ ولی به دلیل نامرئی بودنش با تلسکوپ‌های ما دیده نمی‌شود و به همین خاطر نادیده گرفته شده است. این کهکشان حتی ممکن است ستاره‌های نامرئی، سیاره‌های نامرئی و زندگی نامرئی داشته باشد.» به نظر دیوانگی می‌آید، یا دستکم خیلی عجیب و غیرمحتمل است؛ اما واقعیت این است که این نظریه، نظریه‌ای بسیار جدی است که فیزیکدان‌های آمریکایی در جست‌وجوی یافتن پاسخی برای چیزهای نامرئی عالم مطرح کرده‌اند؛ موجوداتی که بیشتر آنها را با نام «ماده تاریک» (Dark Matter) می‌شناسیم. اما ماده تاریک واقعا چیست؟

آیات قران در مورد ماده تاریک در کهکشان و چگونگی آغاز جهان

با هفت آسمان همراه باشید و جدیدترین اخبار نجوم را از ما دریافت کنید . در ادامه مطلب در رابطه با ماده تاریک و آیاتی از قران کریم که از ماده تاریک ,کهکشان , نحوه خلقت آسمانها , سرد شدن دنیا و ... سخن گ

شاید جهان روزی کاملا به ماده تاریک تبدیل شود!

با هفت آسمان همراه باشید و جدیدترین اخبار نجوم را از ما دریافت کنید . در ادامه مطلب  راجع به نظزیه جدی در مورد انرژی و ماده  تاریک صحبت خواهیم کرد .با 7aseman  همراه باشید . یک نظریه جدید در مورد م

اگر خیلی خلاصه بخواهیم به این پرسش پاسخ دهیم، باید بگوییم: «نمی‌دانیم». در اخترشناسی و کیهان‌شناسی، ماده تاریک به ماده‌ای فرضی می‌گویند که چون از خود نور یا امواج الکترومغناطیسی منتشر یا بازتاب نمی‌کند، نمی‌توان آن را مستقیما دید؛ اما با توجه به اثرات گرانشی آن روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، فکر می‌کنیم باید وجود داشته باشد.

تاریخچه ماده تاریک

ماده تاریک چیزی است که بخش اعظم و تقریبا کل جهان را تشکیل داده است، اما فعلا مطلقا نمی‌دانیم که چیست. در واقع، قلمرو تاریکی از ماده سیاه می‌تواند همین الان درست جلوی بینی ما وجود داشته باشد. ماده تاریک اختراع شده است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است.

نظریه ماده تاریک برای توضیح بسیاری از مشاهدات گیج‌کننده نجومی مطرح شده است. برای مثال، بر اساس یکی از این مشاهدات ستاره‌ها در فضای بیرونی کهکشان‌های مارپیچی مثل کهکشان ما، به سرعت در حال چرخش‌اند. همانند بچه‌ای که سوار بر چرخ‌وفلکی پر سرعت است، این ستارگان باید به فضای بین ستاره‌ای پرت شوند؛ اما چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. اخترشناسان استدلال می‌کنند که برای این مساله، باید از اثرات گرانشی ماده بسیار عظیمی که هیچ نور قابل تشخیصی از خود ساطع نمی‌کند، متشکر باشیم.

دومین مشاهده‌ای که از ماده تاریک برای توضیح آن استفاده می‌شود، این واقعیت است که هم اکنون شما در حال خواندن این کلمات هستید. مشاهدات «تابش زمینه کیهانی» (CMB) نشان می‌دهد در آغاز خلقت جهان، ماده به شکل خیلی یکنواختی در سراسر فضا پخش شده است.

با این وجود، مناطقی هستند که چگالی‌شان از حد متوسط اندکی بیشتر بوده است. این نواحی که جاذبه قوی‌تری نسبت به مناطق اطراف خود داشتند، سریع‌تر از سایرین ماده را به درون خود کشیدند و حتی چگال‌تر هم شدند. اما این فرایند بسیار کند‌تر از آن است که بتواند کهکشانی به بزرگی راه شیری را در عمر 8/13 میلیارد ساله کیهان بسازد. برای آنکه بتوانیم وجود امروز خود را توضیح دهیم، نیازمند فرض مقدار خیلی زیادی از ماده تاریک هستیم که جاذبه فوق‌العاده زیادش، شکل‌گیری کهکشان‌ها را به شدت تسریع می‌کند و شتاب می‌دهد.

بر اساس آخرین مشاهدات اخترشناسان و همچنین مدل‌های ریاضی کیهان‌شناسی، ماده معمولی که من، شما و همه چیزهای دیگر را تشکیل می‌دهد، تنها ۴٫۹ درصد از کل محتوای جرم-انرژی جهان قابل مشاهده را تشکیل می‌دهد. در مقابل، ماده تاریک ۲۶٫۸ درصد از این محتوای جرم-انرژی را شکل می‌دهد و باقی آن نیز از انرژی تاریک تشکیل شده است؛ موجودی که حتی از ماده تاریک هم مرموزتر است.

نظریه‌های ماده تاریک

با توجه به اینکه کشش گرانشی ماده مرئی موجود در جهان نمی‌تواند حرکت ستارگان در کهکشان‌ها و حرکت کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی را توضیح دهد، نظریات مختلف فراوانی در مورد ماده تاریک در نقش «جرم گم شده» جهان مطرح شده است.

یک نظریه این است که ماده تاریک از «سیاه‌چاله‌های کوچک» تشکیل شده است که از مهبانگ بر جای مانده‌اند. این سیاه‌چاله‌های فوق‌ متراکم که جرمی به اندازه جرم سیاره مشتری دارند، یک‌میلیونم ثانیه پس از مهبانگ خلق شده‌اند و توانسته‌اند جان سالم به در ببرند.

طبق این نظریه، نزدیک‌ترین این سیاهچاله‌ها 30 سال نوری از زمین فاصله دارد و بنابراین هیچ خطری برای زمین نخواهند داشت. مدرک وجود سیاه‌چاله‌های فوق‌متراکمی که از مهبانگ باقی مانده‌اند، سوسوی نور «اختروش»‌ها (Quasar) است؛ هسته‌های فعال به شدت نورانی که در کهکشان‌های جوان دوردست قرار دارند. بعضی از ستاره‌شناسان معتقدند زمانی‌که این سیاهچاله‌ها به عنوان نامزدهای ماده تاریک از امتداد بین زمین و اختروش عبور می‌کند، جاذبه آن نور اختروش را تقویت می‌کند؛ اثری که با نام «ریزعدسی‌شدگی گرانشی» (Gravitational Microlensing) شناخته می‌شود.

نظریه محبوب‌تر این ایده این است که ماده تاریک از یک ذره زیراتمی ساخته شده که این ذره هنوز کشف نشده است. نامزدهای زیادی برای این ذره وجود دارند که از بین آنها، دو مورد محتمل‌تر به نظر می‌رسند. این دو ذره عبارتند از:

مطالب مرتبط:

چگونگی توزیع ماده تاریک در اوایل عمر جهان برای نخستین بار

کشف یک میدان مغناطیسی فوق قدرتمند |قویترین میدان مغناطیسی

آکسیون

آکسیون‌ها (Axion) ذراتی هستند که از نظر جرمی خیلی کوچک‌اند، اما تعدادشان بسیار زیاد است. انگیزه وجودی آنها مرتبط با نیروی هسته‌ای قوی است که هسته اتم‌ها را در ماده معمولی منسجم نگاه می‌دارد. آکسیون‌ها ممکن است در اولین لحظات پس از مهبانگ و البته به تعداد بسیار حیرت‌انگیز و زیادی تولید شده باشند.

راه آشکارسازی یک آکسیون زودگذر، قرار دادن یک «کاواک مایکروویو» (Microwave Cavity) در میدان مغناطیسی است (کاواک مایکروویو یک ساختار فلزی بسته است که برای تقویت فرکانس‌های مایکروویو مشخصی استفاده می‌شود). انتظار می‌رود آکسیون با چنین میدان مغناطیسی برهمکنش داشته باشد که منجر به تولید مایکروویو می‌شود؛ که به راحتی می‌توان آن را درون محفظه آشکار کرد.

ویمپ

«ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف» یا به اختصار ویمپ (WIMP) ذراتی هستند که توسط نظریه ابَرتقارن و دیگر نظریاتی که ادعا می‌کنند فضا بیش از سه بعد دارد، پیش‌بینی شده‌اند. در نظریات ابعاد بالاتر، بازتاب‌هایی که از این ابعاد می‌آیند، اصطلاحا به عنوان ذرات «کالوزا-کلین» (Kaluza-Klein) آشکار می‌شوند که نسخه فوق‌العاده سنگینی از ذرات زیراتمی استاندارد هستند.

سه راه برای آشکارسازی ویمپ‌ها وجود دارد. روش نخست، آشکارسازی مستقیم است که در آن، آشکارساز از توده بزرگی از یک عنصر مثل سیلیسیم یا زنون استفاده می‌کنند. ایده این آشکارسازها این است که اگر ذرات ماده تاریک به یک هسته اتم ماده عادی کوبیده شوند، هسته به شدت پس‌زده می‌شود.

اگرچه آشکارسازها مستقیما این پس‌زنی را نشان نمی‌دهند، اما اثرات ثانویه‌ای مانند انتشار نور از ماده را نشان می‌دهند. روش دوم، آشکارسازی غیرمستقیم است که در آن، آشکارسازها به دنبال تابش‌های گامایی می‌گردند که از برخورد یک ذره ماده تاریک با پادذره آن حاصل می‌شود.

از آنجایی‌که جرم هیچ کدام از ذرات ماده تاریک مشخص نیست، انرژی اشعه گاما مورد انتظار نیز نامعلوم است. با این وجود، مشخصه چنین پرتوهای گامایی این است که همه آنها باید تقریبا هم‌انرژی باشند. روش سوم آشکارسازی این است که ذره خودمان را بسازیم. آشکارسازهای برخوردی مانند «برخورددهنده بزرگ هاردونی» (LHC) از انرژی برخورد ذرات برای خلق ذرات جدید استفاده می‌کنند. در این برخورددهنده‌ها، بدیهی است که انرژی ذرات ورودی باید برابر انرژی ذرات خروجی باشد؛ در غیر این صورت، این جرم از دست رفته همانند آژیری است که نشان می‌دهد ذره ماده تاریک خلق شده است.

کهکشان راه شیری و ماده تاریک

اعتقاد عمومی کیهان‌شناسان بر این است که کهکشان راه شیری ما از یک ابر چرخان کروی عظیم از ماده تاریک، آمیخته با اندکی ماده معمولی شکل گرفته است. ماده معمولی این ابر کروی تحت اثر گرانش شروع به جمع شدن و کوچک شدن کرد و با توجه به اینکه جمع‌شدگی در قطب‌ها سریع‌تر از اطراف خط استوا رخ می‌دهد (چرا که در استوا نیروی گریز از مرکز با جاذبه مقابله می‌کند)، نتیجه نهایی صفحه نازک مسطحی بود که در نهایت نیز تکه‌تکه و به ستاره‌ها تبدیل شد.

تنها عاملی که این رخداد را ممکن ساخت، این بود که ماده معمولی قادر بود گرمای خود را پخش کند؛ حرارتی که نیرویی به سمت خارج ایجاد می‌کرد و از انقباض ابر بر اثر گرانش جلوگیری می‌کرد. روش ماده معمولی برای این فرایند، تابش این انرژی گرمایی به شکل امواج الکترومغناطیسی یا نور بود.

با این وجود، مهم‌ترین بخش داستان این است که ماده تاریک نمی‌تواند نوری از خود ساطع کند و بنابراین قادر نیست انرژی خود را از دست دهد و به شکل صفحه‌ای مسطح جمع شود. در نتیجه ماده تاریک به شکل ابر کروی باقی مانده است. این توضیحات کهکشان ما را به شکل قرص مارپیچی مسطحی از ستارگان تصویر می‌کند که در ابری کروی از ماده تاریک قرار گرفته‌اند. این ابر کروی به راحتی می‌تواند سرعت ستاره‌های چرخان به دور کهکشان ما را توضیح دهد.

مشکلات ماده تاریک

همان‌طور که اشاره شد، وجود ویمپ‌ها توسط نظریاتی مانند ابَرتقارن پیش‌بینی شده است؛ نظریاتی که تلاش می‌کنند نشان دهند مجموعه‌ای از ذرات بنیادی طبیعت (فرمیون‌ها) در واقع روی دیگر سکه دیگر مجموعه ذرات بنیادی (بوزون‌ها) هستند. بر اساس این نظریات، ذرات بنیادی در قالب مجموعه کاملی از ابَرجفت‌های ذرات زیراتمی شناخته شده می‌آیند. از بین این ابرجفت‌ها، سبک‌ترین ابَرجفت پایدار یعنی «نوترالینو» (Neutralino) محتمل‌ترین گزینه برای ماده تاریک است.

اما مشکلی در این میان وجود دارد. در هیچ‌کدام از برخوردهای فوق‌العاده پر‌انرژی LHC، تا به حال هیچ نوترالینو یا هر ذره دیگری از ماده تاریک ظاهر نشده است. این موضوع بسیاری از فیزیکدان‌ها را به فکر واداشته است که شاید مدل ما از ماده تاریک نیازمند بهینه‌سازی باشد.

«لیزا رندال» (Lisa Randall)، مولف کتاب «راهروهای پیچ‌خورده» (Warped Passages) و نخستین زنی که به عنوان استاد فیزیک نظری در هر دو دانشگاه معتبر هاروارد و ام.آی.تی (MIT) کار کرده است، ایده جالبی در خصوص ماده تاریک دارد.

او و همکارانش شکل جدیدی از ماده را پیشنهاد کرده‌اند که در عین حالی‌‌که از مواد طبیعی پرهیز می‌کند، می‌تواند با خودش اندرکنش (تعامل) داشته باشد. در نتیجه، ما نمی‌توانیم از وجود آنها در جهان بیرون اطلاعی داشته باشیم. مهم‌ترین نکته درباره این چیزهای تاریک خود-اندرکنشی این است که آنها می‌توانند رفتاری کاملا متفاوت نسبت به ماده تاریک متعارف داشته باشند.

این نوع از ماده تاریک که رندال و همکارانش مد نظر دارند، می‌تواند از طریق نیرویی مشابه با نیروی الکترومغناطیسی جهان ما، با خودش اندرکنش داشته باشد. بنابراین این ماده تاریک ممکن است قادر باشد با ساطع کردن امواج الکترومغناطیسی تاریک، یا به اصطلاح «نور تاریک»، انرژی از دست دهد. به گفته رندال، با بیرون دادن این نور تاریک، ماده تاریک هم می‌تواند مشابه ماده معمولی دچار فروپاشی شده و به یک صفحه نازک تبدیل شود. وی می‌گوید: «ما اسم این ماده جدید را ماده تاریک دو صفحه‌ای (Double Disk Dark Matter) گذاشته‌ایم.»

البته رندال راجع به «تمام» ماده تاریک صحبت نمی‌کند. همان‌طور که گفتیم، ابر کروی می‌تواند سرعت ستاره‌های چرخان به دور کهکشان ما را توضیح دهد؛ بنابراین بیشترین بخش ماده تاریک هنوز کماکان باید همین شکل کروی را حفظ کند. اما بخشی از ماده تاریک که از نظر جرم قابل مقایسه با صفحه ستارگان مرئی است، می‌تواند به شکل صفحه‌ای مسطح باشد.

این ایده دو صفحه‌ای بودن، می‌تواند بعضی از ناهنجاری‌های مشاهده‌ای را توضیح دهد. برای مثال، تلسکوپ فضایی اشعه گاما فرمی ناسا، پرتو گامایی با انرژی 130 گیگاالکترون‌ولت را تشخیص داده است که از مرکز کهکشان راه شیری می‌آید. این مساله تنها در صورتی قابل توجیه است که ذره ماده تاریکی با جرم حدود 130 برابر جرم پروتون وجود داشته باشد. در آن صورت، این پرتوهای گاما ممکن است در اثر نابودی حاصل از برخورد چنین ذرات ماده تاریکی با پادذره متناظرشان ایجاد شده باشد.

ماده تاریکی که در هاله کروی نازکی توزیع شده است، به اندازه کافی چگال نیست که ذرات ماده تاریک موجود در آن بتوانند مشاهده چنین پرتوهای گامایی را توجیه کنند. اما با وجود یک صفحه دوگانه در دل این کره، این بخش تازه از ساختار ماده تاریک به اندازه کافی چگال است که بتوان ذرات دیگری در آن یافت که نابودی بیش از حد معمول آنها، باعث تابش پرتوهای گامای مذکور شود.

آشکارسازی ماده تاریک

در حال حاضر حدود 40 آزمایش مختلف در سراسر دنیا در تلاش برای شناسایی و آشکارسازی ماده تاریک هستند. بسته به اینکه دنبال کدام یک از نامزدهای ماده تاریک باشیم، شرایط آزمایش‌ها بسیار متفاوت هستند و از آشکارسازهای عظیم زیرزمینی تا رصدخانه‌های فضایی را شامل می‌شود.

یکی از این آزمایش‌ها، «طیف‌سنج مغناطیسی آلفا» یا به اختصار AMS-02 است که با هدف تحقیق در زمینه فیزیک ذرات، در سال 2011 توسط شاتل فضایی ایندیور راهی فضا شد و روی بازوی رباتیک ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) نصب شده است. با استفاده از محیط منحصربه‌فرد فضا و در تلاش برای درک بهتر منشاء کیهان، AMS-02 به جست‌وجوی پادماده، ماده تاریک و سنجش پرتوهای کیهانی مشغول است.

در بخش جست‌وجوی ماده تاریک، این آشکارساز روی وجود نوترالینوها تمرکز کرده است. اگر این ذرات وجود داشته باشد، برخورد آنها با یکدیگر باعث بروز افزایشی در شار ذرات باردار می‌شود که توسط آشکارساز قابل شناسایی است. هر جهشی در میزان شار پوزیترون، پادپروتون یا پرتو گاما می‌تواند نشانه‌ای از وجود نوترالینو (یا دیگر ذرات ماده تاریک) باشد.

نخستین نتایج AMS-02 که آوریل 2013 (فروردین 1392) منتشر شد، شامل مشاهده شار غیرعادی ذرات «پوزیترون» در محدوه انرژی 10 تا 300 گیگاالکترون‌ولت بود. اندازه‌گیری‌های بیشتر تا فوریه 2019 (بهمن 1397) نیز با محدود کردن دامنه افزایش شار پوزیترونی به 25 تا 284 گیگاالکترون‌ولت، این نتایج را تایید کرد؛ یافته‌هایی که به عقیده محققان از کشف شواهد احتمالی ماده تاریک خبر می‌دهد. به عقیده گروه پروژه، این میزان افزایش ناشی از برخورد ذرات ماده تاریک با یکدیگر و نابودی آنهاست که باعث خلق جفت‌های الکترون-پوزیترون می‌شود و انرژی این انحراف می‌تواند نشانه‌ای از جرم ذرات ماده تاریک باشد.

البته توضیحات دیگری هم برای این افزایش شار پوزیترونی وجود دارد. مثلا این پوزیترون‌ها می‌توانند از یک جرم آسمانی همانند یک «تپ‌اختر» (Pulsar) سرچشمه گرفته باشد؛ یا در احتمالی دیگر، ناشی از اندرکنش میان پرتوهای کیهانی باشد. به همین دلیل، نتایج این آزمایش در اثبات وجود ماده تاریک هنوز با دیده تردید نگریسته می‌شود.

از میان آزمایش‌هایی که در جست‌وجوی آکسیون‌ها هستند، می‌توان به آزمایش «ماده تاریک آکسیونی» یا به اختصار ADMX اشاره کرد که از یک کاواک مایکروویو تشدیدی مستقر درون آهنربایایی ابررسانا، برای یافتن آکسیون‌ها در هاله ماده تاریک کهکشانی استفاده می‌کند. بر خلاف بسیاری از آشکارسازهای ماده تاریک، این آزمایش در اعماق زمین انجام نمی‌شود، بلکه در «مرکز اخترفیزیک و فیزیک هسته‌ای آزمایشگاهی» (CENPA) در دانشگاه واشنگتن هدایت می‌شود.

این آزمایش برای شناسایی تبدیل بسیار ضعیف آکسیون‌های ماده تاریک به فوتون‌های مایکروویو در حضور یک میدان مغناطیسی قوی طراحی شده است. اگر فرضیه فیزیکدانان درست باشد، دستگاهی متشکل از یک آهنربای 8 تسلا و کاواک مایکروویو فوق‌سرد باید بتواند تبدیل آکسیون به فوتون را تحریک کند. وقتی فرکانس تشدید کاواک با جرم آکسیون به درستی تنظیم شود، باعث تقویت اندرکنش بین میدان مغناطیسی ADMX و آکسیون‌های هاله کهکشان راه شیری می‌شود که به شکل انباشت میزان اندکی انرژی در کاواک قابل شناسایی و آشکارسازی است.

در نهایت، آزمایش‌هایی هستند که در جست‌وجوی ویمپ‌ها هستند و بخش عمده جست‌وجوی ماده تاریک را به خود اختصاص داده‌اند. معمول‌ترین این آزمایش‌های نیز آنهایی هستند که بر آشکارسازی مستقیم ویمپ‌ها متمرکز شده‌اند. در این آزمایش‌ها که معمولا در اعماق زمین انجام می‌گیرد، تلاش می‌شود با محافظت آشکارساز در برابر پرتوهای کیهانی، از تداخل تابش جلوگیری شده و شرایط برخورد یک ذره ماده تاریک با یک ذره ماده عادی هچون پروتون یا الکترون شبیه‌سازی شود.

از آنجایی‌که ماده تاریک با ماده عادی برهمکنشی انجام نمی‌دهد، محققان از گستره متنوعی از هسته اتم‌ها -از سیلیسیم و زنون گرفته تا فلوئور و ید- استفاده می‌کنند و امیدوارند وقتی بطور ناگهانی از طرف یک ذره ماده تاریک ضربه‌ای به این هسته‌ها وارد می‌شود، شاهد یک پس‌زنی هسته‌ای باشند.

از جمله مشهورترین این آزمایش‌ها می‌توان به آزمایش «زنون بزرگ زیرزمینی» یا به اختصار LUX و آزمایش «جست‌وجوی برودتی ماده تاریک» یا به اختصار CDMS اشاره کرد. آزمایش LUX که در عمق 1510 متری زیرزمین و در یک معدن طلای متروکه در داکوتای جنوبی انجام شده است، از 370 کیلوگرم زنون مایع به عنوان توده جرم آشکارساز استفاده می‌کرد که در یک «محفظه افکنش زمانی» (Time Projection Chamber) قرار داشت.

محفظه TPC نوعی آشکارساز ذرات است که با ترکیب میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی با حجم حساسی از گاز یا مایع، مسیر یا اندرکنش یک ذره را به شکل سه‌بعدی بازسازی می‌کند. به این ترتیب آزمایش LUX می‌توانست اندرکنش‌های محو ماده تاریک را با حساسیتی بی‌نظیر شناسایی کند. هر چند آشکارساز پیشین این آزمایش موفق به کشف ماده تاریک نشد و در سال 2016 کار آن به سرانجام رسید، قرار است ساخت نسل بعدی آشکارساز این آزمایش در سال 2020 آغاز شود تا با حساسیتی بالاتر بتواند به جست‌وجوی ماده تاریک بپردازد.

همزمان با آزمایش LUX، آزمایش CDMS نیز با استفاده از آرایه‌ای از آشکارسازهای ابررسانا که در دمای چند میلی‌کلوین کار می‌کردند، به دنبال شناسایی ویمپ‌ها بود. مجموعه آزمایش‌های CDMS که در زمان خود (دهه اول قرن 21) حساس‌ترین حد شناسایی اندرکنش ویمپ‌ها با مواد زمینی را داشتند، موفق به مشاهده سه رویداد شدند که با جرم مورد انتظار ویمپ‌ها مطابقت داشت.

هر چند این مشاهده‌ها برای اثبات وجود ویمپ‌ها کفایت نمی‌کردند (حد قطعیت مشاهده‌ها 8/99 درصد بود که معادل قطعیت سه سیگما است)، اما مدارک محکمی برای اثبات درستی احتمالی نظریه‌ها محسوب می‌شدند. طی سال‌های 2012 تا 2013 نیز 11 رخداد دیگر که متناظر با ویمپ‌هایی با جرم کمتر از 30 گیگاالکترون‌ولت بود، در این آزمایش گزارش شد.

اما چرا آزمایش LUX نتوانست هیچ ماده تاریکی را مشاهده کند؟ به عقیده فیزیکدانان، دلیل آن به حساسیت آشکارسازها باز می‌گردد. یک ذره ماده تاریک را در نظر بگیرید که در حالتی پر انرژی قرار دارد. وقتی که این ذره در آزمایش CDMS با یک هسته سیلیسیم برخورد می‌کرد، انرژی‌اش را از دست می‌داد که باعث پس‌زدن هسته می‌شد. با این وجود، انرژی آزاد شده در چنین برخوردهایی به اندازه‌ای نبود که برای تولید سیگنال در آزمایش LUX کفایت کند.

نظریات جایگزین

با توجه به دشواری‌هایی که دانشمندان برای کشف ماده تاریک با آن روبه‌رو هستند، برخی عقیده دارند شاید دانشمندان راه را اشتباه رفته‌اند و اصلا ماده تاریکی وجود ندارد. گروهی از فیزیکدانان هستند که رویکرد دیگری را دنبال می‌کنند که وجود ماده تاریک را از اساس نقض می‌کند.

بر اساس این رویکرد، نظریه گرانش اشتباه است. این فیزیکدانان عقیده دارند نیروی گرانشی به مراتب قوی‌تر از چیزی است که نیوتن در فضاهای بیرونی کهکشان‌های مارپیچی پیش‌بینی کرده است، و همین نیرو از پرتاب ستاره‌های این مناطق به فضای بین ستاره‌ای جلوگیری می‌کند. بر همین مبنا، اصلاحیه‌هایی برای نظریه گرانش نیوتن پیشنهاد شده است.

معروف‌ترین این نظریه‌ها، نظریه «دینامیک نیوتنی اصلاح شده» (MOND) است. این نظریه که در سال 1983 و توسط «موردحای میلگروم» (Mordehai Milgrom) مطرح شد، بیان می‌کند قانون گرانش نیوتون تنها در شرایطی که شتاب گرانش به اندازه کافی بزرگ است، صدق می‌کند و برای شتاب‌های بسیار ناچیز باید اصلاح شود. به عبارت دیگر، در چنین شرایطی شتاب به طور خطی با نیروی گرانشی وارد شده متناسب نیست و رابطه‌ای غیرخطی دارد.

طبق این نظریه، گرانش ماده تاریک نامرئی نیست که حرکت مداری غیرعادی ستاره‌ها را در کهکشان‌های مارپیچی توجیه می‌کند؛ بلکه این واقعیت که گرانش زیر یک شتاب بحرانی (که برابر 10-10 متر بر مجذور ثانیه است) بسیار قدرتمندتر از پیش‌بینی نیوتن است، می‌تواند توضیحی برای این حالت غیرعادی باشد. چنین مقادیر بسیار کوچکی در نواحی بیرونی کهکشان‌های مارپیچی وجود دارد که نشان می‌دهد چرا ستارگان این مناطق سریع‌تر از حد انتظار خودشان می‌چرخند و بنابراین می‌تواند این مشاهدات غیرمعمولی را بدون نیاز به معرفی جرم اضافی توضیح دهد.

اما این نظریه‌های جایگزین هم کامل نیستند و مشکلات خاص خودشان را دارند. برای مثال، نظریه MOND نمی‌تواند مساله جرم گمشده در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را هم‌زمان توضیح دهد. همچنین بر اساس مشاهدات خوشه‌های کهکشانی در حال برخورد، ستاره‌های هر کهکشان در این برخوردها از کنار یکدیگر می‌گذرند ولی ابرهای گازی به یکدیگر می‌چسبند و عقب می‌مانند؛ مساله‌ای که نظریه MOND نمی‌تواند چرایی آن را را توضیح دهد.

بنابراین شاید باید هنوز منتظر ماند و ببینیم در نهایت فیزیکدانان به کجا می‌رسند؛ اینکه ماده تاریک کشف می‌شود یا اینکه مشکلات نظریه‌های جایگزین برطرف می‌شود.

پرسش های متداول:

ماده تاریک چیست؟

محققان در مورد اینکه ماده تاریک دقیقا چیست مطمئن نیستند. در ابتدا، برخی از دانشمندان حدس زدند که جرم گمشده در کیهان از ستارگان کم نور و سیاهچاله‌های کوچک تشکیل شده است. همچنین مشاهدات دقیق چنین اجرامی، به اندازه کافی برای توضیح تأثیر ماده تاریک کافی نبوده است. رقیب اصلی کنونی ماده تاریک، ذره‌ای فرضی به نام ذره پرجرم متقابل ضعیف یا WIMP است که به نوعی مانند یک نوترون رفتار می‌کند.

آیا می‌توانیم ماده تاریک را تشخیص دهیم؟

اگر ماده تاریک از WIMP‌ها ساخته شده باشد، آنها باید در اطراف ما، نامرئی و به سختی قابل تشخیص باشند. همیشه احتمال کمی وجود دارد که یک ذره ماده تاریک بتواند با یک ذره معمولی مانند پروتون یا الکترون در هنگام حرکت در فضا برخورد کند. بنابراین، محققان آزمایش‌هایی انجام داده‌اند تا تعداد زیادی از ذرات معمولی را در اعماق زمین مطالعه کنند؛ جایی که از تشعشعات مزاحم محافظت می‌کند و می‌تواند برخورد ذرات ماده تاریک را تقلید کند.

آیا ماده تاریک از بیش از یک ذره تشکیل شده است؟

آندری کاتز، فیزیکدان دانشگاه هاروارد گفت: "دلیل خوبی برای فرض اینکه تمام ماده تاریک در جهان از یک نوع ذره ساخته شده است، وجود ندارد. پروتون‌های تاریک می‌توانند با الکترون‌های تاریک ترکیب شوند و اتم‌های تاریک را تشکیل دهند؛ بنابراین پیکربندی‌هایی به همان اندازه که در جهان مرئی یافت می‌شود متنوع و جالب ایجاد می‌کند."

آیا نیرو‌های تاریک وجود دارند؟

این احتمال وجود دارد که ماده تاریک نیرو‌هایی مشابه با آنچه توسط ماده معمولی احساس می‌شود، تجربه کند. برخی از محققان به دنبال فوتون‌های تاریک بوده اند، که مانند فوتون‌های مبادله شده بین ذرات معمولی هستند که نیروی الکترومغناطیسی را ایجاد می‌کنند، با این تفاوت که آنها فقط توسط ذرات ماده تاریک احساس می‌شوند. فیزیکدانان ایتالیایی در حال آماده شدن هستند تا باریکه‌ای از الکترون‌ها و پادذرات آنها را که به نام پوزیترون شناخته می‌شوند، به الماس خرد کنند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، جفت‌های الکترون-پوزیترون می‌توانند یکی از ذرات عجیب و غریب حامل نیرو را از بین ببرند و به طور بالقوه بخش جدیدی از جهان را باز کنند.

آیا ماده تاریک می‌تواند از آکسیون‌ها ساخته شود؟

یکی از جایگزین‌های پیشرو، ذره‌ای فرضی است که به عنوان آکسیون شناخته می‌شود و بسیار سبک است. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای اخیر این احتمال را افزایش داده‌است که این آکسیون‌ها می‌توانند اجرام ستاره‌مانندی را ایجاد کنند و ممکن است تشعشعات قابل تشخیصی را تولید کنند که کاملاً شبیه به پدیده‌های مرموز معروف به انفجار‌های سریع رادیویی است.

خواص ماده تاریک چیست؟

ستاره شناسان ماده تاریک را از طریق کنش‌های گرانشی آن با ماده معمولی کشف کردند که نشان می‌دهد، این روش اصلی برای نشان دادن حضور این ماده در جهان است. طبق برخی نظریه ها، ذرات ماده تاریک باید ضد ذرات خودشان باشند، به این معنی که دو ذره ماده تاریک با یکدیگر از بین می‌روند. آزمایش طیف‌سنج مغناطیسی آلفا (AMS) در ایستگاه فضایی بین‌المللی از سال ۲۰۱۱ به دنبال نشانه‌های آشکار این نابودی بوده و تاکنون صد‌ها هزار رویداد را شناسایی کرده است.

آیا ماده تاریک در هر کهکشانی وجود دارد؟

از آنجایی که ماده تاریک بسیار بیشتر از ماده معمولی است، اغلب گفته می‌شود که ماده تاریک نیروی کنترل کننده‌ای است که ساختار‌های بزرگی مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را سازماندهی می‌کند. بنابراین، زمانی که در اوایل سال جاری، اخترشناسان اعلام کردند کهکشانی به نام NGC ۱۰۵۲-DF۲ را پیدا کرده اند که به نظر می‌رسد حاوی ماده تاریک باشد، عجیب بود.

آیا ماده تاریک می‌تواند بار الکتریکی داشته باشد؟

یک سیگنال برخی از فیزیک دانان را به این موضوع سوق داده است که ماده تاریک ممکن است دارای بار الکتریکی باشد. تشعشعات با طول موج ۲۱ سانتی متر توسط ستارگان در دوران اولیه جهان، تنها ۱۸۰ میلیون سال پس از انفجار بزرگ منتشر شد. سپس توسط هیدروژن سردی که در همان زمان در اطراف بود، جذب شد. جولیان مونوز اخترفیزیکدان از دانشگاه هاروارد این فرضیه را مطرح کرد که ماده تاریک با یک بار الکتریکی می‌تواند گرما را از هیدروژن فراگیر دور کند.

آیا ذرات معمولی می‌تواند به ماده تاریک تجزیه شود؟

نوترون‌ها ذرات ماده منظم با طول عمر محدود هستند. پس از حدود ۱۴.۵ دقیقه، یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو تجزیه می‌شود. تنظیم آزمایشی مختلف، طول عمر کمی متفاوت برای این فروپاشی دارند. در اوایل سال جاری، فیزیک دانان پیشنهاد کردند که اگر یک درصد، برخی از نوترون‌ها به ذرات ماده تاریک تجزیه شوند، می‌تواند دلیل این ناهنجاری باشد.

آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

برای سال‌های متمادی، اقلیتی از فیزیک دانان این ایده را مطرح کرده‌اند که شاید نظریه‌های گرانش نادرست باشند، و معتقد بودند نیروی بنیادی در مقیاس‌های بزرگ متفاوت از آنچه ما انتظار داریم کار می‌کند. این پیشنهادات که اغلب با عنوان «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» یا مدل‌های MOND شناخته می‌شود، بیان می‌کند که ماده تاریک وجود ندارد و سرعت‌های فوق‌العاده‌ای که ستاره‌ها و کهکشان‌ها به دور یکدیگر می‌چرخند، نتیجه رفتار‌های شگفت‌انگیز گرانش است.