ماده تاريک

آيا فضاي بين کهکشانها خالي است يا يک محيط ميان کهکشاني مشابه محيط ميان ستاره اي وجود دارد ؟ اگر يک محيط ميان کهکشاني وجود داشته باشد ، ممکن است شامل گاز و گرد و غبار باشد . گاز (احتمالاً هيدروژن ) ممکن است خنثي يا يونيده باشد . حدود ۲۰۰ ميليارد کهکشان که هر کدام داراي تقريباً ۲۰۰ ميليارد ستاره است به وسيله تلسکوپها قابل تشخيص

است. اما اين تعداد فقط ۴ درصد از محل گيتي را تشکيل مي دهد. حدود ۷۳ درصد از جهان از ماده ديگري ساخته شده است که ماده تاريک (dark matter) ناميده مي شود. هيچ کس نمي داند که ماهيت اين ماده ناشناخته چيست، اما مقدار اين نوع ماده از تمام اتم هاي موجود در تمام ستارگان موجود در کل کهکشان هاي قابل شناسايي گستره فضا بسيار بيشتر است. به نظر مي رسد اين نيروي عجيب، اجزاي جهان را با سرعت فزاينده اي از يکديگر دور مي کند، در حالي که نيروي گرانش با اين نيرو مقابله کرده و از سرعت اين گسترش مي کاهد.

اين اکتشاف ها به وسيله رصدخانه مداري که کاوشگر ناهمسانگرد ريز موج ويلکينسون (WMAP) ناميده مي شود، انجام شده است. اين کاوشگر افت و خيزهاي ناچيز موجود در پرتوهاي ريز موج پس زمينه کيهاني را اندازه مي گيرد که در اثر پژواک هاي ميراي انفجار بزرگ به وجود آمده است. ما ميتوانيم محيط ميان کهکشاني را در دومحل جستجو کنيم : بين خوشه هاي کهکشاني و داخل خوشه ها .
اولين محل احتمالي را در نظر بگيريد .حــال امکان گردو غبار ميان کهکشاني

را بررســي مي کنيم .چـنين گـرد و غبـاري اگــر به گـرد وغبار بين سـتاره اي در کهکشان خــودي شباهت مي داشت ، نور حاصل از کهکشانهاي دور را محو و قرمز مي کرد . اين اثر محو و قرمز کردن نور مورد تفحص و بررسي قرار گرفته است وليکن در پيدا کردن آن توفيقي حاصل نگرديده است.

چگونه هيدروژن خنثي را آشکـــارسازي کنيم ؟ اتــم هاي هيدروژن تابش ماوراء بنفــش علي الخصـــوص در nm 6/121 ، جذب α ليمان ، را به خوبي جذب مي کنند . چنين جذب ماوراء بنفش در طيف اجرام دور را بايدهم در قرمزگرايي هاي کوچک وهم بزرگ جستجو کرد . اين جذب آشکار نشده است .فقدان جذب ماوراءبنفش اين موضوع راتداعي مي کند که هيدروژن خنثي نمي تواند چگالي بيش از حدود داشته باشد. بنابراين ،اگر هيدروژن وجود خارجي داشته باشد بايد يونيده باشد ، ،زيرا H II بيش از H I شفاف است .اين مشاهدات ، گذشته ي جهان را به خوبي مشخص مي کند و لذا اين طور نتيجه مي شود که هر گاز بين کهکشاني بايد براي بيشتر تاريخ و عمر جهان در مراتب بالايي به صورت يونيده باقي مانده باشد .

از اين بحث ها چنين استنباط مي شود که هيدروژن يونيده (H II) بيشترين عنصري است که درمحيط ميان کهکشاني وجود دارد . به دليل اين که ماده ي ميان کهکشـــاني داراي چگالي بالايي نيست ، زمان زيادي طـــول مي کشد تا هيدروژن يونيده يک الکترون را پيدا کند و دوباره ترکيب گردد .متأسفانه ، آشکارسازي يک گاز يونيده با چگالي پائين ، کار دشوارري است . اگر محيـــــط داغ مي بود ( چند ده ميليون درجه کلوين )، شما انتظار گسيل پرتو ايکس ياماوراء بنفش را داشتيد

.مشاهـــدات پرتو ايکس مربـــوط به خوشه هاي محلي ، ۱۵ محل را نشــان مي دهد که احتمالاً در هفت ابرخوشه دسته بندي شده اند . منابع شامل لکه هايي است که متمرکز درخوشه هاي غني مي باشد ،اين موضوع نشان ميدهد که گاز داغ در ابرخوشه ها بسيار زياد است .

همچنين اگرنمونه انفجار بزرگ صحت داشته باشد،پس بايد بيشتر جرم جهان از چند شکل تازه وکاملي از چيزهاي مختلف ومواد اتمي باشد که تا به حــال براي ما شناخـته شده اند که مـاده ي تاريک غير باريوني نام دارند. واين بدان سبب است که جرم آنها توافق اساسي با باريونهايي که تمام عناصر شناخته شده را دارد مي باشد ، شايد ذرات بنيادين تازه و يا ساختار اوليه است .( اين باريونها شامل نوترون ها و پروتون ها هستند ) .

همچنين مي توانيم جرم کهکشانها را به وسيله ي اندازه گيري سرعت ستارگاني که درون آنها در حال حرکت مداري هستند ، اندازه بگيريم .چراکه آنها دقيقاً مثل سيارات داخل منظومه ي شمسي داراي حرکت مداري هستند . آنها ده برابر بيشتر ازسيارات حرکت مي کنند ، يعني صدها مايل در هر ثانيه . سرعت ستارگان و اندازه ي مدارحرکت آنها ، جرم کهکشان را براي ما بازگو مي کنند .

ولي هنگامي که با همين روش کهکـشانـــها را وزن مي کنيم ، در مي يابيم که آنها در حـــدود ده برابر بيشتر از تمام ستارگـــاني هستند که درداخــل خود دارند و مي توانند بـــه حساب آيند . بدون گرانش فوق العاده زياد اين جرم ، ستارگان همان گونه که در منظومه شمسي هستند ، به طور کلي در مرکز متمرکز نشده است . بلکه همانند برخي از ديگر ستارگان ، در گروهها يا هاله هاي بزرگي از ذرات منتشر شده در آن سوي بخش درخشان کهکشان ها توزيع شده اند . ما اين

موضوع را مي دانيم ، چرا که بر خلاف ستارگاني که در داخل منظومه ي شمسي هستند ، سرعت هاي مداري در بخش هاي خارجي کهکشانها کاهش پيدا نمي کند . سرعت ستارگاني که در بيرون از کهکشانها در حال حرکت هستند ،برابر با سرعت ستارگاني است که نزديک مرکز واقع شده اند .

ماده ي تاريک ، به شيوه ي ديگري وجود گرانش خود را بروز مي دهد . گرانش موجب انحنا در پرتوها ي نور مي گردد . بنابراين ،تودهاي از ماده ي تاريک ميتواند از روي تأثيري که بر نور اجسام پشت سرش مي گذارد ،آشکار و اندازه گيري گردد . اين پديده در کهکشان خود ما نيز مشاهده گرديده است .به اين ترتيب که نور ستارگان زمينه اي ، از طريق تأثير کانوني ماده ي تاريک بر هاله ي نور ، بزرگ جلوه مي کند . در مسافت بسيار دور نيز آشکار گرديده است . به عنوان مثال در تغيير تصوير کهکشانهاي دور دست .(شکل زير ).

 

تمرکز نور گرانشي توسط ماده تاريک . در اين تصوير،تلسکوپ فضايي هابل يک خوشه از کهکشانها را نشان مي دهد . جرم اين خوشه که تقريباً از تمامي انواع ماده ي تاريک است ، نور کهکشانهاي زمينهاي را مي شکند و تصاوير را به مکانهاي باريک درازي امتداد ميدهد .

سنتز هسته اي کيهاني بسياري از نظرها و پيشنهادها را به اجبار متوجه صورتهاي غير باريوني ماده ي تاريک مي کند . به عنوان مثال ، الگوي انفجار بزرگ چنين پيش گويي مي کند که دنياي اوليه تقريباً به اندازه ي فوتون ها نوترينو توليد کرده است . در نخستين زمان ها اين نوترينوها با فوتونها به صورت جفت شده بودند و اگر چه واکنش مهم وطولاني با فوتونها انجام ندادند

، هنوز به همراه هم هستند . ولي به طور يکسان رقيق شدهاند و هم اينک مثل فوتونهاي اصلي و داراي ميانگين چگالي يکساني هستند .نوترينوها آنقدر زياد هستند که حتي اگر چند بيليون از يک جرم سکون پروتون هم داشته باشند ، ماده ي تاريک کيهاني معنيداري راتشکيل مي دهند نوترينوها تنها ذرات ماده ي تاريک غير باريوني هستند که به عنوان « موجود » شناخته شده اند . ( البته اگرچه جرم چگالي يک جرم کيهاني ، هنوز شناخته نشده است ) .
شگفت انگيز اين است که جهان اوليه ، مقداري از ديگر انواع ذرات باقيمانده را توليد کرده است . اگر طبيعت ، ذرات پايداري دارد که فقط به صورت خيلي آهسته و ضعيف با هم واکنش مي دهند ، لذا توليد و مشا هده ي اين گونه ذرات هم اينک خيلي مشکل است . ولي آنها در دنياي اوليه قادر به توليد شدن بوده اند، چراکه زمان لازم براي موجوديت يافتن آنها طولاني است .

اگر اين ذرات ، جرم سکون مي داشتند ، به اندازه ي کافي در يک کنش گرانشي براي نگه داشتن کهکشانها به يکديگر شرکت مي جستند . اين ذرات در هر زماني و با هر سرعتي (در حدود صدها مايل در ثانيه ) پيرامون ما حرکت و به راحتي از ميان هر جسمي و تقريباً بدون هيچ گونه واکنشي عبور مي کرده اند .همچنين با نفوذ در هر جسمي که داخل کهکشان قرار دارد ، جرم جهان را تحت سيطره ي

خويش قرار مي دهد . پيشنهادهاي ارئه شده براي ماده ي تاريک کيهاني ، در وراي ذرات ، تازه گسترش يافته است که امکان دارد ترکيباتي از ميدان هاي نيرو، سياه چاله هاي کوچک و تکه هاي بزرگ کوارک ثابت باشند . بسياري از آنها نشانه هاي قابل مشاهده و شناخته شده اي هستند ولي هيچيک تا کنون پيدا نشده اند .

ماده تاريک
مواد تشكيل دهنده ماده تاريك

ماده تاريك ممكن است از چيزهاي معمولي مثل جنس سيارات تشكيل شده باشد، ولي سياراتي مثل زمين به اندازه كافي جرم ندارند، پس ممكن است ژوپيترها تشكيل دهنده ماده تاريك باشند.

اما اين نظريه چندين مشكل دارد، اول اينكه ما فرض كرده ايم سيارات فقط در اطراف ستارگان شكل گرفته اند، بنا بر اين ستارگان به ميزان بسيار كمي جرم آن ها را بالا مي برند. با اين حساب امگا = ۰٫۰۰۵ خواهد بود كه براي تشكيل دادن ۸۸% جرم عالم كافي نيست.

دومين و مهمترين مشكل از تركيب هسته اي مهبانگ (big bang nacleosynthesis) ناشي مي شود. در لحظه تولد عالم وقتي مهبانگ رخ داد عالم ماده اي بسيار گرم تشكيل شده از انواع ذرات بود، در حالي كه عالم بزرگ و بزرگتر و به سردي مي گراييد ذرات ماده معمول مثل الكترون، نوترون و پروتون ها نيز سرد مي شدند و اتمهاي مواد موجود در عالم را تشكيل مي دادند. غالب اين اتمها مربوط به هليوم و هيدروژن هستند.

BBN يك تئوري موفق است كه نه تنها هيدروژن و هليوم را به عنوان بيشترين عناصر جهان معرفي مي كند بلكه نسبت آنها را نيز به درستي بيان مي كند.

اما مسئله اي وجود دارد. مقدار هر ماده اي كه تشكيل مي شود به ميزان ماده معمول تشكيل دهنده اتم (ماده بارنوييك) بستگي دارد و BBN مقدار اين ماده را براي عالم كنوني چيزي در حدود امگا = ۰٫۱ پيش بيني مي كند.

بايد توجه كرد كه اين ميزان ماده بارنوييك براي مواد قابل مشاهده در عالم ما زياد است در نتيجه مقداري ماده معمول تاريك (از جمله سيارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما اين مواد نمي توانند توجيه كننده سرعت خوشه و منحني دوران آنها باشند.

ستارگان تاريك – ژوپيترها، كوتوله هاي قهوه اي، كوتوله هاي سفيد

ماده معمول ديگري كه مي تواند تشكيل دهنده ماده تاريك باشد ستارگاني هستند كه جرم كافي براي سوختن و درخشان شدن ندارند- كوتوله هاي قهوه اي – يا ژوپيترها – ژوپيترها كوتوله هايي به مراتب (حدود ۱۰ برابر) سنگين تر هستند و به صورت ستارگان بسيار كوچك و كم نور فعاليت دارند. اما اين احتمالات مثل سيارات در مقابل BBN با مشكل مواجه مي شوند و باز باريون كافي وجود ندارد. احتمال اين نيز مي رود كه نظريه BBN اشتباه باشد ولي چون اين نظريه تا كنون بسيار موفق بوده است به دنبال انتخاب هاي ديگري براي ماده تاريك هستيم.

ماده عجيب

اين ماده آنقدر ها هم عجيب نيست فقط ماده اي است كه الكترون، نوترون و پروتون ندارد. بسياري از چنين ذرات شناخته شده اند و چند مورد از آن ها در حد تئوري هستند تا بتوان مشكل ماده تاريك را حل كرد.

نوترينو ها

نوترينو ها ذرات بدون جرمي هستند كه وجودشان ثابت شده و لي دلايلي وجود دارد كه نشان داده گاهي اوقات جرم بسيار كوچكي دارند. در عالم مقدار بسيار زيادي از اين ذرات وجود دارد، با اين حال حتي يك جرم بسيار كوچك تر براي ماده تاريك پر اهميت است. جرمي به اندازه ۱/۵۰۰۰ جرم الكترون، امگايي به اندازه ۱ بدست مي دهد.

ويمپ ها (WIMPs)

بيشتر انتخاب هاي ماده عجيت در دسته ويمپ ها Weakly Interaching massive particles قرار مي گيرند. ويمپ ها دسته اي از ذرات سنگين هستند كه به سختي با ذرات ديگر واكنش مي دهند از اين ذرات مي توان در تراسنيو ها و آكسيون ها را نام برد.

اثبات وجود ماده تاريك

جاذبه دليل وجود ماده تاريك

وجود يك پديده را از دو روش مي توان اثبات كرد:مشاهده مستقيم پديده يا مشاهده تاثير آن بر پديده هايي كه راحت تر مشاهده مي شوند.

اين مطلب كه در آسمان شب چيزهايي هست كه به راحتي ديده نمي شود و هميشه مورد توجه بوده است. هنگام استفاده از تلسكوپ يا راديو تلسكوپ فقط اشيايي رصد مي شوند كه از خود نور يا امواج راديويي گسيل مي كنند. اما هر پديده اي اين خصوصيات را ندارد حتي سياره خودمان زمين نيز به علت تاريكي بيش از حد قابل مشاهده نيست.

خوشه هاي كهكشاني

مقدار قابل توجهي ماده در بررسي خوشه هاي كهكشاني وجود دارد كه ما نمي توانيم به آساني آنها را ببينيم. خوشه هاي كه از تجمع چند صد تا چند هزار كهكشان يا كهكشان هاي تك در فضا بوجود آمده اند. در دهه ۱۹۳۰، zwicky، Smith، دو خوشه تقريبا نزديك به هم Coma و Virgo را از لحاظ كهكشان هاي تشكيل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسي قرار دادند، و سرعتي كه بدست آوردند چيزي بين ۱۰ تا ۱۰۰ برابر مقداري بود كه انتظار داشتند.

معني اين چيست؟ در يك گروه از كهكشان ها مثل خوشه تنها نيروي موثر بر كهكشان ها گرانش است و اين گرانش اثر كششي كهكشان ها بر يكديگر است كه باعث بالا رفتن سرعت آنها مي شود.

سرعت مي تواند مقدار ماده موجود در كهكشان را به دو طريق مشخص كند:

جرم خوشه ها

جرم بيشتر كهكشان باعث مي شود نيروي شتاب دهنده به كهكشان نيز بيشتر شود.

شتاب و سرعت خوشه ها

اگر شتاب يك كهكشان خيلي زياد باشد مي تواند از ميدان جاذبه خوشه خارج شود. اگر شتاب كهكشان بيش از سرعت فرار باشد، خوشه را ترك خواهد كرد.

به اين ترتيب همه كهكشان ها سرعتي پايين تر از سرعت فرار (گريز) خواهند داشت. و با اين نگرش مي توان جرم كل خوشه را حدس زد كه مقدار قابل توجهي از ميزان مشاهده شده است. با اين حال اين نظريه به علت اينكه مبني بر مشاهده بود و مشاهدات غالبا با اشتباه همراهند مدت طولاني مورد توجه قرار نگرفت.

هنگامي كه چيزي به وسعت يك خوشه كهكشاني نگاه مي كنيد با اينكه ممكن است سرعت ها زياد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چيزي به حساب نمي آيند پس مشاهده مداوم يك خوشه در طي چندين سال تصوير يكساني از آن بدست مي دهد. ما نمي توانيم كهكشان هايي را كه بدون الگو حركت مي كنند با دقت ببينيم. پس يك كهكشان با سرعت زياد ممكن است از خوشه جدا شده باشد يا اصلا متعلق به خوشه نباشد. حتي ممكن است بعضي از كهكشان ها فقط مقابل كهكشان هاي ديگر در راستاي خط ديد آنها باشند. با اين حساب اين كهكشان گمراه كننده خواهد بود.

منحني حركت انتقالي كهكشان ها

دلايل قابل اعتماد تري در دهه ۱۹۷۰ در پي اندازه گيري منحني هاي دوران كهكشان ها ارايه شد. علت قابل اعتماد تر بودن آنها اين است كه اطلاعات موثق تري در مورد تعداد يشتري كهكشان دست مي دهند.

از گذشته مي دانستيم كه كهكشان ها حول مركز شان دوران دارند درست شبيه به چرخش سيارات به دور خورشيد و مانند سيارات از قوانين كپلر پيروي مي كنند. اين قوانين مي گويند سرعت چرخشي حول يك مركز فقط به فاصله از مركز و جرم موجود در مدار بستگي دارد.

پس با پيدا كردن سرعت چرخش يك كهكشان مي توانيم جرم موجود در كهكشان را محاسبه كنيم. همان طور كه در كناره هاي كهكشان ميزان نور به سرعت كم مي شود انتظار مي رود سرعت چرخش نيز پايين بيايد ولي اين اتفاق نمي افتد و سرعت در همان ميزاني كه محاسبه شده بود ثابت مي ماند و اين مطلب آشكارا نشان مي دهد در كناره هاي كهكشان جرمي وجود دارد كه ما

 

نمي بينيم. اين آزمايش در مورد چندين كهكشان حلزوني – از جمله كهكشان راه شيري خودمان – انجام شده و هر بار به همين نتيجه رسيده است. و اين محكمترين و بهترين اثبات براي وجود ماده تاريك است.

ميزان وجود ماده تاريك

چه ميزان ماده تاريك وجود دارد؟

كيهان شناسان ميزان موجود در عالم را با پارامتري به نام امگا مورد بحث قرار مي دهند. در يك عالم بسته يعني عالمي كه جرم آن در حدي است كه عاقبت در خود فرو مي ريزد امگا بيش از ۱ تعريف مي شود. در يك عالم باز يعني عالمي كه تا ابد اجزاي آن در حال دور شدن از يكديگر هستند امگا كمتر از ۱ است و يك عالم مسطح به طور ايده آل امگايي برابر ۱ خواهد داشت.

ميزان ماده قابل مشاهده موجود در عالم در حدود ۰٫۰۵ = امگا است و به هيچ وجه بيش از آن نمي باشند. نظريه پردازان مايلند امگاي عالم را چيزي ۱ در حدود در نظر بگيرند به آن معني كه ماده تاريك ۰٫۹۵ = امگا يا ۹۵% عالم را تشكيل داده است.

اما در صورتي كه واقع بينانه تر نگاه كنيم مي بينيم كه دانشمندان دليلي براي بيشتر بودن اندازه امگا از ۰٫۴ ندارند با اين حساب ميزان ماده تاريك ۰٫۳۵ امگا خواهد بود كه ۸۸% جرم عالم است.

مي بينيم كه ۸۸% عالممان كاملا ناشناخته است.

پيش‌بيني‌هاي موجود دربارهٔ سرشت مادهٔ تاريک را مي‌توان به دو گروه تقسيم کرد:
۱٫ اشياء هاله‌اي پر جرم و متراکم شامل سياهچاله‌ها، ستارگان نوتروني، کوتوله‌هاي سفيد سوخته و يا کوتوله‌هاي قهوه‌اي.
۲٫ ذرات پرجرم با برهم‌کنش ضعيف شامل نوترينوها، تک‌قطبي‌هاي مغناطيسي، و ساير ذرات بنيادي خارق‌العاده که هنوز بر روي زمين مشاهده نشده‌اند.

در صورتي که ماده تاريک از ذرات سبک نوترينو تشکيل شده باشد مي تواند فواصل بسيار بزرگ را پوشش دهد يعني در فواصل بين رشته ها و ديواره ها قرار مي گيرد اين نوع ماده HDM يا ماده تاريک داغ نام دارد.
اما در صورتي که ماده تاريک از ذرات سنگين مثل WIMPs تشکيل شده باشد، ذراتش نسبتاً به آرامي حرکت مي کنند و مي توانند مقياس هاي کوچکتري مثل فواصل کهکشاني را پوشش دهند اين نوع ماده CDM يا ماده تاريک سرد نام دارد. هر دو نوع ماده يعني HDM و CDM مشکلاتي دارند از جمله اينکه CDM ني تواند ساختارهايي با مقياس هاي بزرگ و HDM نمي تواند مقياس هاي کوچک را تحت پوشش قرار دهد. با اين حساب فرض مي کنيم کهکشان ها در ميان ماده مخلوط ياMDM شکل گرفته اند.

ماده تاريک هرچه که هست، مهمترين علت نيروهاي گرانشي در اين عالم است و حداقل بايد سهم کوچکي در ساختار کنوني عالم داشته باشد.

و اما چگونه مي توانيم آن را در آزمايشگاه بسازيم . اكثرمواد موجود در جهان تيره هستند . بدون جسم سياه كهكشان ها و ستاره ها تشكيل نمي شدند و زندگي وجود نداشت . آن حجيم را منسجم نگه مي دارد ، آن چيست ؟ اگرچه وجود جسم سياه در دهة ۱۹۳۰ پيشنهاد شد فقط در ۱۰ تا ۱۵ سال گذشته دانشمندان به پيشرفت مهمي راجع به درك ويژگي هاي آن نايل شدند . بررسي هاي اخيراثرجسم سياه برساختار جهان نشان داده است كه آن متفاوت ازهرگونه ماده اي است كه تاكنون درآزمايشگاه كشف و اندازه گيري شده است . درهمين زمان ، تئوري هاي جديدي به وجودآورندكه ممكن است به ما بگويند واقعا جسم سياه چيست ؟ تئوري ابرتقارن خانواده هاي جديدي از ذرات را كه خيلي ضعيف با اين ماده فعل و انفعال دارند را پيش بيني مي كند . سبك ترين ذرة ابر تقارن مي تواند ذرة فرارجسم سياه باشد ما بايد جسم سياه را به طورمستقيم با آشكار نمودن باقيماندة ذرات جسم سياه در موج ياب زيرزميني و با ايجاد ذرات جسم سياه در شتابگرهايي كه مي توانيم ويژگي هايشان را بسنجيم و دريابيم چگونه با تصويركيهاني متناسب اند ، بررسي كنيم .

ابزارهايي براي تحول علمي :
اكثرمواد موجود درجهان تيره هستند . شواهد اوليه راجع به جسم سياه ناشي از منحني هاي چرخش كهكشان ها مي باشندكه نشان مي دهندكهكشان ها تودة بيشتري از ستاره ها دارند . اخيرا ، باكشف وساخت وپرداخت عدسي هاي گرانتي و نقاطي از فضاكه توده
نور را مي شكند ، مدرك صريحي براي جسم سياه به دست آمده است