ماده تاریک

تاریخچه ماده تاریک

سابقه توسل به ماده تاریک برای حل مسائل نجومی به دنیای باستان بر می‌گردد. ستاره شناسان قدیم که نه چیزی از مکانیک نیوتنی می‌دانستند نه از نیروی گرانش، وقتی در مقابل این پرسش قرار گرفتند که چگونه اجرام نجومی همچون خورشید و سیاره‌ها بر زمین سقوط نمی‌کنند و در آسمان به دور زمین می‌گردند، پاسخشان این بود که سیاره‌ها بر کره‌هایی بلورین به نام فلک سوارند که در آسمان تاریک شب دیده نمی‌شود. بعضی ستارهشناسان قرون وسطا سیاره‌ها را سوار بر بال فرشتگان تصور می‌کردند که چشم انسان از دیدن آنها قاصر بود. کره‌های بلورین و فرشتگان حامل سیاره‌ها قاعدتا باید از همان ماده‌ای ساخته شده باشد که زوییکی به دنبال آن می‌گشت. هر چند تحولات قرن 16 تا 17 میلادی باعث شد ستاره شناسان افلاک بلورین و فرشتگان حامل را فراموش کنند،اما رصدهایی که از دهه 60 میلادی به بعد انجام شد ماده‌ی تاریک را در صدر اخبار نجومی قرار داد. قرن هیجده و نوزده میلادی قرن سلطه‌ی مکانیک نیوتنی بر دنیای نجوم بود. پیش‌بینی‌های مکانیک نیوتنی از حرکت سیاره‌ها در منظو مه‌ی شمسی آنچنان دقیق بود که منجمان تصور نمی‌کردند پدیده‌ای در آسمان رخ دهد و نتوان آن را در قالب مکانیک نیوتنی توصیف کرد. در اواسط قرن نوزدهم رصدگران متوجه شدند سیاره‌ی اورانوس حرکاتی دارد که نمی‌توان آن را بر مبنای نظریه نیوتنی گرانش توصیف کرد. طبق معمول به سراغ ماده‌ی تاریک رفتند. این بار ماده‌ی تاریک به شکل سیاره‌ای نادیده فرض شد که در فاصله‌ای دورتر از اورانوس به دور خورشید می‌چرخید.این ماده‌ی تاریک مدت زمان زیادی تاریک نماند و به سرعت کشف شد. کشف نپتون در اول قرن 19 نقطه توانایی‌های دیدگاه نیوتنی در نجوم است. منجمان بدون دیدن هیچ جرم نجومی و صرفا از روی حرکت جرم‌های اطراف ان به وجودش پی بردند و مکان آن را به دقت در آسمان تعیین کردند. سرشت ماده تاریک از قدیم همینطور بوده؛ ماده ای که دیده نمی‌شود،اما هست. اگر نباشد اجرام اطراف آنطور که رصد می‌شود حرکت نمی‌کنند یا مثل سیاره‌ها در مدل‌های باستانی بدون ماده تاریک به زمین می‌افتادند یا مثل کهکشان‌های زوییکی در خوشه گیسو از خوشه فرار می‌کردند.

ماده تاریک

ماده تاریک، در کیهان‌شناسی ماده ای فرضی است که چون از خود نور (امواج الکترومغناطیس) گسیل یا بازتاب نمی‌کند، نمی‌توان آن را مستقیما" دید، اما از اثرات گرانشی موجود بر روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌‌ها، می‌توان به وجود آن پی برد. بر اساس مشاهدات فعلی، که بر روی ساختارهایی بزرگتر از کهکشان‌ها صورت گرفته‌است، و همچنین مطالب مربوط به انفجار بزرگ، ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل‌دهنده بخش زیادی از جرم موجود در جهان قابل مشاهده است. اجزای ماده تاریک جرمی بسیار بیشتر از قسمت قابل رویت کل عالم دارند.

فقط حدود ۴٪ از مجموع کل چگالی انرژی در کیهان را می‌توان مستقیم مشاهده کرد (با توجه به اثرهای گرانشی آن)، که این مقدار شامل باریونها و تابش‌های الکترومغناطیسی نیز می‌شود. همچنین تصور می‌شود که ۲۲٪ از ماده تاریک تشکیل شده باشد و ۷۴٪ باقیمانده را نیز انرژی تاریک تشکیل داده باشد، که همانند ماده تاریک در فضای کائنات توزیع شده و به همان اندازه ماده تاریک ناشناخته و مجهول مانده‌است. تعیین خواص و ویژگی‌های این توده ناشناخته به یکی از مهم‌ترین مسائل کیهان‌شناسی مدرن و فیزیک ذرات تبدیل شده‌است.

این نکته قابل ذکر است که اسامی «ماده تاریک» و «انرژی تاریک» در بیشتر موارد مبین عدم اطلاع انسان از ماهیت این دو ماده و ناشناخته بودن آن است.

یک ستاره‌شناس در این باره می‌گوید: «به یاد داشته باشید که ما این پدیده را انرژى تاریک مى‌نامیم، اما این نامگذارى ممکن است این باور غلط را در ذهن مخاطبان ایجاد کند که ما حقیقتاً مى‌دانیم که آن پدیده چیست. اما باید اذعان داشت که ما واقعاً چیز زیادى در این باره نمى‌دانیم».

با اینکه ساختار و ویژگی‌های ماده تاریک هنوز کاملا مشخص نیست، اما این طور تصور می‌شود که بخش اعظم ماده تاریک موجود در جهان، «غیر باریونی» باشد، که به معنا آن است که دارای هیچ اتمی نیست و به وسیله نیروی مغناطیسی به سمت مواد معمولی جذب نخواهد شد. ماده سیاه غیر باریونی شامل نوترینو و احتمالا دارای اجزای دیگری مانند مواد فرضی ای چون «آکسیون» (axions) و «ابرمتقارن» (supersymmetric) می‌باشد. برخلاف ماده تاریک باریونی، ماده تاریک غیر باریونی در شکل گرفتن عناصر در ابتدای آفرینش نقشی نداشته و وجودش تنها به دلیل جاذبه گرانشی آن اثبات می‌شود. به علاوه، اگر همه اجزایی که ماده تاریک از آنها تشکیل شده باشد ابرمتقارن باشند، واکنش‌ها و برخوردهای آن‌ها با یکدیگر موجب نابودی آن‌ها شده و فراورده‌هایی قابل مشاهده نظیر فوتون و نوترینو حاصل می‌شوند.

با اینکه وجود ماده تاریک در جهان مهم و ضروری به نظر می‌رسد، اما هنوز مدارک و دلایل قطعی مبنی بر وجود این ماده به دست نیامده‌است. با این وجود تئوری ماده تاریک به عنوان قابل قبول‌ترین فرضیه برای توجیه انحراف در حرکت وضعی کهکشان‌ها است. سرعت چرخشی ستاره‌ها در کهکشان‌ها از رابطه‌ای که از قوانین کپلر انتظار داریم پیروی نمی‌کند و برحسب فاصله از مرکز کهکشان ثابت است. برای توضیح این پدیده باید توزیع جرم در کهکشان به طور خطی با شعاع زیاد شود، اما این توضیح با مشاهدهٔ کهکشان‌ها در قسمت مرئی که نشان می‌دهد بیشتر جرم در ناحیه مرکزی متراکم شده‌است ناسازگار است. بنابراین فرض می‌شود که این جرم نایافته از مادهٔ تاریک (که آن را نمی‌بینیم) ساخته شده باشد. چند فرضیه دیگر نیز، مانند فرضیه موند (MOND) و فرضیه تِوز (TeVeS) برای توجیه این موضوع مطرح شده‌اند، اما هیچکدام به اندازه نظریه ماده تاریک در مجامع علمی مقبولیت پیدا نکرده‌اند.

با این وجود برخی پژوهش‌های جدید نشان داده‌است امکان دارد در مشاهدات تلسکوپ Wmap اشتباهاتی رخ داده باشد که اگر این امر ثابت شود به این نظریه اشکالاتی وارد می‌شود.

پایداری کهکشان‌های مارپیچی

قرن بیستم با ظهور نظریه‌هایی هم چون نسبیت عام مکانیک کوانتومی آغاز شد نظریاتی که آمدند تا نقص های دیدگاه نیوتنی را برطرف کنند، اما نتوانستند آن را از میدان به در کنند. با پایان جنگ‌های جهانی و پیشرفت در ابزارهای رصد، دیدگاه منجمان به عالم بسیار ژرف‌تر شده بود.

حالا ستارهشناسان می‌دانستند بعضی از سحابی‌ها در واقع کهکشان‌هایی بزرگ هستند شامل بر هزاران میلیون ستاره که تحت تاثیر گرانش نیوتنی همان ستاره ها پایدارند.

به مدد طیف‌نگارهای دقیق می‌شد سرعت شعاعی ستاره ها را در کهکشان‌های همسایه محاسبه کردو با بررسی این حرکت پی به وجود جرمی برد که نیروی گرانش آن باعث این حرکت شده است.

بررسی حرکت ستاره ها در درون خوشه‌های کروی و کهکشان‌ها شاخه‌ای از نجوم است که به آن دینامیک ستاره ای می‌گویند.در اغلب منظومه‌های ستاره ای هم چون خوشه‌های کروی یا کهکشان‌ها بر خلاف منظومه شمسیجرمی مرکزی چون خورشید نداریم.

هر ستاره بخشی از نیروی گرانش کهکشان را تامین می‌کند و خودش هم در اثر برآیند نیروهای بقیه‌ی ستاره ها در حرکت است. برآیند نیروهای گرانش در یک کهکشان حاصل ترکیب گرانش چند صد میلیارد ستاره است. ستاره هایی که خودشان در حال حرکت هستند و از این رو برآیند نیروهایشان مدام در تغییراست. با این حساب ستاره های یک کهکشان باید حرکتی پیچیده داشته باشند. حتی به نظر نمی‌رسد ستاره ها برای مدت زیادی در درون کهکشان بمانند بلکه باید حرکات نا منظم آنها به سرعت شکل کهکشان را به هم بریزد و آن را متلاشی کند.

یکی از راههای بررسی حرکت ستاره ها در مجموعه‌های چند میلیاردی همچون کهکشان، شبیه سازی است. شبیه‌سازی به کمک رایانه‌های سریع انجام می‌شود. به این ترتیب که ستارهشناسان به جای این که مجبور باشند برای مشاهده‌ی حرکت ستاره ها در یک کهکشان هزاران تا میلیون‌ها سال صبر کنند، با برنامه‌نویسی رایانه‌ای، مشابه یک کهکشان را در حافظه‌ی رایانه می‌سازند و آن را متحول می‌کنند. هر ستاره در رایانه جرم و سرعت و مکانی مخصوص به خود دارد واثر گرانش آن در همه جای کهکشان مشخص است. به این ترتیب برنامه می‌تواند برآیند نیروهای همه‌ی ستاره ها را روی هر کدام از آنها در هر لحظه از زمان حساب کند و به کمک قوانین نیوتن جهت و مقدار حرکت آن ستاره را با داشتن برآیند نیروها حساب کند و موقعیت و سرعت جدید آن ستاره را در لحظات بعد تعیین کند. به این ترتیب رایانه حساب می‌کند که با گذشت زمان جایگاه ستاره ها یا به عبارت دیگر شکل ظاهری کهکشان چگونه تغییر می‌کند.

اگر شکل کهکشان به یک حالت تعادلی میل کند می‌گوییم کهکشان پایدار است و اکر شکل کهکشان به هم بریزد کهکشان ناپایدار خواهد بود.

مهمترین مسئله در شبیه‌سازی تعداد ستاره ها است. هر چه تعداد ستاره ها بیشتر باشد، میزان محاسبات بیشتر می‌شود و به رایانه‌ای سریع‌تر نیاز است. معمولا در یک شبیه‌سازی ساده تعداد محاسبات با توان دوم تعداد ستاره های کهکشان متناسب است.

کهکشان مارپیچی به طور میانگین حدود 100 میلیارد ستاره دارد. یعنی تعداد محاسبات برای هر لحظه از زمان باید در حدود(10 به توان 22) باشد چنین محاسباتی از توان رایانه‌ها ی پیشرفته‌ی امروزی هم خارج است.

در اوایل دهه ی 60 میلادی با اختراع رایانه‌های ترانزیستوری امکان شبیه‌سازی برای مجموعه‌های ستاره ای با صد هزار ستاره فراهم شده بود.

هدف ستارهشناسان در آن زمان این بود که بفهمند آیا می‌توانند به کمک نیروی گرانش، مجموعه‌های ستاره ای بسازند که شبیه کهکشان‌های مار پیچی باشد. یعنی قرص و بازوهای مارپیچی داشته باشد و مهم تر از همه پایدار باشد (علی رغم حرکت ستاره هایش شکل بازوهای خود را برای میلیاردها سال حفظ کند). جواب منفی بود!