ماده تاریک چیست؟ هرآنچه درباره عنصر نامرئی سازنده کیهان می‌دانیم

«ماده‌ی تاریک»، ماده‌ای مرموز و غیرنورانی است که بیش از ۸۰ درصد از کل ماده‌ی موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. با اینکه دانشمندان طی دهه‌ها آثار گرانشی ماده‌ی تاریک را مشاهده کرده‌اند، ماهیت واقعی آن همچنان آن‌ها را سردرگم کرده است.

وجود ماده تاریک استنباط می‌شود؛ زیرا بدون آن، رفتار ستارگان، سیارات و کهکشان‌ها قابل توضیح نیست. در ادامه هرآنچه را که درباره‌ی این عنصر نامرئی و رازآلود سازنده‌ی کیهان می‌دانیم، مرور خواهیم کرد.

ماده‌ی تاریک، ماده‌ای مرموز است که گمان می‌رود بخش اعظمی از ترکیب کلی جهان را تشکیل دهد. اما واقعاً چیست؟ گفتن اینکه چه چیزی نیست، شاید آسان‌تر باشد.

دنیای مرئی از اتم‌های معمولی، یعنی همان اجزایی که بدن ما و تمام چیزهای اطرافمان را تشکیل می‌دهد، ساخته شده است. اما تمام اتم‌های قابل مشاهده، طبق مدل کیهان‌شناسی «ماده تاریک سرد لامبدا» (Lambda-CDM)، که به آن «مدل استاندارد» نیز گفته می‌شود، تنها حدود ۵ درصد از جهان را تشکیل می‌دهند. حدود ۲۷ درصد دیگر را ماده تاریک تشکیل می‌دهد و ۶۸ درصد باقی مانده نیز شامل «انرژی تاریک» است.

ماده‌ی تاریک نامرئی است؛ نه نور ساطع می‌کند، نه آن را بازتاب یا جذب می‌کند، و نه با هیچ نوع دیگری از تابش الکترومغناطیسی مانند پرتو ایکس یا امواج رادیویی سر و کار دارد. بنابراین، ابزارهای علمی نمی‌توانند آن را به طور مستقیم شناسایی کنند؛ چرا که تقریباً تمام مشاهدات ما از جهان، به جز امواج گرانشی، براساس دریافت تابش‌های الکترومغناطیسی توسط تلسکوپ‌ها انجام می‌شود. دانشمندان بر این باورند که کلید درک ماهیت گریزان ماده تاریک، در ترکیب سازنده‌اش نهفته است.

شما ممکن است در کنار ماده تاریک، نام انرژی تاریک را نیز شنیده باشید و درباره ماهیت و ارتباط این دو مفهوم کنجکاو شده باشید. جالب است بدانید که با وجود شباهت اسمی، این دو موضوع کاملاً از یکدیگر جدا هستند و نقش‌های متفاوتی دارند، اما هر دو به دلیل نامرئی بودن، تاریک نامیده می‌شوند.

ماده تاریک بیشتر جرم کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را تشکیل می‌دهد و مسئول نحوه سازماندهی کهکشان‌ها در مقیاس‌های کوچک است. در همین حال، انرژی تاریک نامی است که ما به انرژی مرموزی می‌دهیم که عامل انبساط شتاب‌دار جهان است. چیستی و کارکرد این دو پدیده، از چالش‌های اصلی پیش‌روی اخترشناسان مدرن محسوب می‌شود.

جدول زیر برای مقایسه و جمع‌بندی بهتر این دو مفهوم است:

در اواخر قرن نوزدهم، ستاره‌شناسان شروع به گمانه‌زنی درباره مواد نامرئی کردند؛ این مواد می‌توانستند شامل ستاره‌های کم‌نور یا گاز و گرد و غباری باشند که در سرتاسر جهان پخش شده‌اند. براساس یک مطالعه که در سال ۲۰۱۸ در مجله Reviews of Modern Physics منتشر شد، محققان حتی شروع به برآورد جرم این مواد کردند. بیشتر آن‌ها بر این باور بودند که این ماده مرموز تنها بخش کوچکی از جرم کل کائنات را تشکیل می‌دهد.

اما در سال ۱۹۳۳، «فریتس تسوئیکی»، ستاره‌شناس سوئیسی-آمریکایی، متوجه شد که کهکشان‌های دوردست خوشه «کما»، با سرعتی بسیار بیشتر از آنچه که با توجه به مواد قابل مشاهده در تلسکوپ‌ها قابل مشاهده بود، به دور یکدیگر می‌چرخند. این سرعت به‌قدری زیاد بود که کهکشان‌ها باید به فضا پرتاب می‌شدند، اما گویی توسط ماده‌ای نامرئی از نظر گرانشی به خوشه متصل مانده‌اند. او در مقاله‌ای که در همان سال منتشر کرد، نوشت: «اگر این موضوع تأیید شود، نتیجه شگفت‌انگیزی خواهیم داشت: اینکه مقدار ماده تاریک بسیار بیشتری از ماده نورانی وجود دارد.»

بااین‌حال، بسیاری از دانشمندان تا دهه ۱۹۷۰ نسبت به نتایج تسوئیکی تردید داشتند. در آن زمان، دو ستاره‌شناس به نام‌های «کنت فورد» و «ورا روبین» مطالعات دقیقی روی ستاره‌ها در نواحی بیرونی کهکشان همسایه راه شیری، یعنی «آندرومدا»، انجام دادند. روبین به همراه همکارش، از فناوری دوربین‌های جدیدی که به آن دسترسی داشت، بهره برد. طیف‌هایی که او توانست از بخش‌های مختلف یک کهکشان بگیرد، به او امکان دستیابی به وضوح طیفی بالا و تصویربرداری از بخش‌های کم‌نور کهکشان را بیش از هر زمان دیگری داد.

روبین نیز چیزی تقریباً مشابه با تسوئیکی را مشاهده کرد. ستارگان آندرومدا با سرعت بسیار زیادی به دور هسته کهکشان می‌چرخیدند، به گونه‌ای که گویی ماده‌ای نامرئی با نیروی گرانش خود آن‌ها را جذب و به جلو می‌کشد. این پدیده به زودی در کهکشان‌های دیگر نیز مشاهده شد.

هر چقدر که کار روبین پیشگامانه بود، به همان اندازه بحث‌برانگیز بود. اگرچه داده‌ها واضح و بدون ابهام بودند، تفسیر آن‌ها چنین نبود. اکثریت قریب به اتفاق متخصصان در اکثر زیرشاخه‌های نجوم و کیهان‌شناسی، در برابر افزودن یک شکل کاملاً جدید از ماده به جهانی که از قبل بحث‌برانگیز بود، مقاومت می‌کردند. روبین یک ناظر بود و اکثر داوران، به دلایل غیرعلمی از اینرسی گرفته تا موارد واضح تبعیض جنسیتی، از او می‌خواستند که هیچ تفسیری از معنای داده‌ها ارائه ندهد. بااین‌حال، روبین بر موضع خود ایستاد، به ارائه نتایج خود ادامه و اجازه داد جامعه‌ی علمی هر طور که می‌خواهد از آن برداشت کند.

تا اواخر دهه ۱۹۷۰، اکثر ستاره‌شناسان نه تنها با قدرت داده‌های روبین، بلکه با داده‌های رو به بهبود در زمینه‌های دیگر که همگی به وجود ماده تاریک اشاره داشتند، متقاعد شدند.

اما محققان هنوز هیچ ایده‌ای درباره ترکیب این جرم نامرئی نداشتند و برخی از ستاره‌شناسان گمان می‌کردند که ماده تاریک ممکن است از سیاه‌چاله‌های کوچک یا سایر اجرام فشرده تشکیل شده باشد که نور بسیار کمی ساطع می‌کنند و به همین دلیل در تلسکوپ‌ها قابل مشاهده نیستند. اما نتایج در دهه ۱۹۹۰ حتی عجیب‌تر شد؛ زمانی که تلسکوپ فضایی «کاوشگر ناهمسان‌گرد ریزموجی ویلکینسون» (WMAP) نشان داد که حجم ماده تاریک درمقایسه با ماده معمولی قابل مشاهده (ماده باریونی)، پنج برابر بیشتر است.

ماده‌ای که دنیای اطراف ما را شکل می‌دهد، همان ماده‌ی مرئی یا «باریونی» است؛ یعنی از ذراتی مانند پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها تشکیل شده است. اما داستان ماده‌ی تاریک فرق دارد. هنوز کسی نمی‌داند این ماده‌ی مرموز از چه ساخته شده است. شاید مثل ماده‌ی معمولی، حاوی باریون‌ها باشد، اما بسیاری از دانشمندان احتمال می‌دهند که ماهیتی «غیرباریونی» داشته باشد؛ یعنی از ذراتی کاملاً متفاوت با ذرات معمول دنیای ما تشکیل شده باشد.

برای دهه‌ها، دانشمندان برای شناخت ماده تاریک به ذرات سنگین دارای برهم‌کنش ضعیف امید بسته بودند که با نام «ویمپ» (WIMP) شناخته می‌شوند. این ذرات فرضی احتمالاً ده تا صد برابر سنگین‌تر از پروتون‌اند، اما برهم‌کنش بسیار ضعیف آن‌ها با ماده‌ی معمولی، شناسایی‌شان را دشوار کرده است.

در میان ذرات احتمالی، «نوترالینوها» نیز که ذراتی فرضی، کند و سنگین‌تر از نوترینوها هستند، از مهم‌ترین نامزدها به شمار می‌آیند. بااین‌حال، تاکنون هیچ نشانه‌ای از وجودشان به‌دست نیامده است.

نوع دیگری از ذرات که به‌عنوان ماده‌ی تاریک مطرح شده‌اند، «نوترینوهای استریل» هستند. نوترینوها ذراتی‌اند که از خورشید به زمین سرازیر می‌شوند و بدون اینکه با چیزی برخورد کنند، به‌راحتی از بدن ما عبور می‌کنند. سه نوع نوترینوی شناخته‌شده وجود دارد، اما دانشمندان نوع چهارمی به نام «نوترینوی استریل» را پیشنهاد کرده‌اند که فقط از طریق گرانش با ماده‌ی معمولی برهم‌کنش دارد. این ویژگی، آن‌ها را به گزینه‌ای جذاب برای ماده‌ی تاریک تبدیل کرده است.

اکسیون‌ها مانند WIMP-ها دارای بسیاری از ویژگی‌های موردنیاز برای توصیف ماده تاریک هستند. اکسیون‌ها کوچک، سبک و بدون بار الکتریکی هستند. همچنین تصور می‌شود که در حضور میدان‌های مغناطیسی قوی قادر به تبدیل به فوتون‌ها باشند که این امر امکان شناسایی آن‌ها را فراهم می‌کند.

فوتینوها از دیگر گزینه‌های مطرح هستند. آن‌ها مشابه فوتون‌اند؛ اما در نظریه‌های فراتر از مدل استاندارد پیش‌بینی می‌شوند. اگرچه تاکنون هیچ فوتینویی مشاهده نشده است، یکی از کاندیداها برای ماده تاریک به شمار می‌روند.

برخی از دانشمندان معتقدند که ماده تاریک ممکن است از سیاه‌چاله‌های کوچکی که در کیهان اولیه، بلافاصله پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته‌اند، تشکیل شده باشد. این نظریه‌پردازان باور دارند که «سیاه‌چاله‌های اولیه» از نواحی بسیار چگال در کیهان آغازین به وجود آمده‌اند، قبل از آنکه دما به حدی کاهش یابد که ستاره‌ها بتوانند تشکیل شوند. این نواحی چگال به دلیل نیروی گرانش خود ممکن است دچار فروپاشی شده و سیاه‌چاله‌هایی را پدید آورده باشند.

شناسایی این سیاه‌چاله‌ها که اندازه‌ای به کوچکی یک اتم دارند، کار آسانی نیست، اما همچنان به عنوان یک احتمال جالب مورد بررسی قرار می‌گیرند. هرچند تاکنون مدرک قطعی برای وجود این سیاه‌چاله‌های اولیه یافت نشده است، محققان فعالانه در تلاش برای کشف آن‌ها با استفاده از روش‌های مختلف هستند. یکی از این رویکردها، مطالعه تأثیرات ادغام این سیاه‌چاله‌ها روی امواج گرانشی است.

ویژگی‌های ماده تاریک، باعث می‌شود که شناسایی و تشخیص آن از طریق روش‌های موجود بسیار دشوار باشد. روش‌های مشاهده‌ای ما درحال حاضر وابسته به نور است، با این‌حال چون ماده تاریک از ذرات باردار عادی تشکیل نشده است، با نیروی الکترومغناطیسی تعامل ندارد و هیچ نوری از خود ساطع نمی‌کند. عدم تعامل الکترومغناطیسی باعث می‌شود ماده تاریک فاقد ویژگی‌هایی مانند جذب و انعکاس نور باشد.

امروزه دانشمندان از روش‌های مختلفی مانند مطالعه چرخش کهکشان‌ها، هم‌گرایی گرانشی نور و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای استنباط وجود و اثرات ماده تاریک استفاده می‌کنند. با مطالعه چگونگی انحراف نور توسط خوشه‌های کهکشانی، ستاره‌شناسان توانسته‌اند نقشه‌ای از ماده تاریک در جهان ایجاد کنند.

محققان هنوز درباره چیستی ماده تاریک سردرگم هستند. آنچه ما می‌دانیم این است که اگر به یک کهکشان معمولی نگاه کنیم و تمام ماده‌ای که می‌بینیم، اعم از ستارگان، گازها و گرد و غبار را درنظربگیریم و از قوانین گرانش و حرکت نیوتن استفاده کنیم تا حرکت این مواد را توصیف کنیم، به جواب نادرستی می‌رسیم. تقریباً تمام اجسام در کهکشان‌ها با سرعتی درحال حرکت هستند که باید گرانشی بیشتر از آنچه اکنون وجود دارد، وجود داشته باشد تا آن‌ها را از پرتاب‌شدن به بیرون از کهکشان خود بازدارد. بنابراین یا قوانین کنونی فیزیک در مقیاس کهکشان‌ها نادرست هستند یا ماده بیشتری وجود دارد که ما آن را نمی‌بینیم.

اقلیتی از دانشمندان معتقدند که ماده تاریک یک توهم است. آنها به ایده‌ای به نام «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» پایبندند، که فرض می‌کند در مقیاس‌های بزرگ، گرانش به گونه‌ای متفاوت از آنچه انتظار می‌رود عمل می‌کند و این موضوع توضیح‌دهنده‌ی چرخش‌های مشاهده‌شده‌ی ستاره‌ها و کهکشان‌ها است. اما بیشتر کارشناسان فکر می‌کنند نیاز به چنین انحراف رادیکالی از قوانین فیزیک وجود ندارد. پذیرش این ایده به اصلاحاتی در درک ما از بخش‌های بزرگی از واقعیت نیاز خواهد داشت.

به طور کلی، کیهان‌شناسان بر این باورند که رفتار کهکشان‌ها را می‌توان با مفهوم ماده تاریک توضیح داد. یکی از دلایل این امر، دشواری در ایجاد یک نظریه موفق برای دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده است. همچنین، هنگامی که تلسکوپ‌های ریزموج را برای بررسی «تابش زمینه کیهانی» (CMB) که نور ساطع‌شده از دوره اولیه جهان است، تنظیم کردیم، متوجه شدیم که طبق نظریه نسبیت عام، همان مقدار و نوع ماده تاریک برای توضیح رفتار امواج صوتی در جهانی که کمتر از ۵۰۰هزار سال سن داشت، لازم است. این امواج صوتی هنوز هم قابل مشاهده هستند و ردپای آنها ما را به درک بهتر این پدیده‌ها یاری می‌کند. گرانش اصلاح‌شده در ارائه یک توضیح یکپارچه در تمام این سیستم‌ها (کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشان، جهان) دچار مشکل است.

اگرچه ماده تاریک به‌طور مستقیم دیده نمی‌شود، شواهد متعددی وجود دارد که نشان می‌دهد بخش بزرگی از جرم کیهان از ماده‌ای ناشناخته تشکیل شده است. در ادامه به شواهد کلیدی برای اثبات وجود ماده تاریک اشاره می‌کنیم:

• منحنی‌های چرخش کهکشان‌ها: وقتی اخترشناسان سرعت چرخش ستارگان در اطراف مرکز کهکشان‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند، به نتیجه‌ای غیرمنتظره می‌رسند: ستارگان در لبه‌های کهکشان با سرعتی بسیار بیشتر از حد انتظار حرکت می‌کنند. اگر تنها ماده‌ی مرئی در کهکشان وجود داشت، این ستارگان باید از کهکشان جدا می‌شدند. این موضوع نشان می‌دهد که جرم نامرئیِ بیشتری در کهکشان‌ها وجود دارد که گرانش لازم را برای نگه‌داشتن ستارگان را فراهم می‌کند؛ جرمی که به آن ماده تاریک می‌گوییم.
• هم‌گرایی گرانشی: بر‌اساس نظریه «نسبیت عام» اینشتین، اجرام سنگین می‌توانند مسیر نور را خم کنند. وقتی نور کهکشان‌های دوردست به سوی ما حرکت می‌کند، گاهی از کنار توده‌های نامرئی ماده تاریک عبور می‌کند و مسیرش منحرف می‌شود. این پدیده به نام هم‌گرایی گرانشی شناخته می‌شود. اخترشناسان با تحلیل میزان خم شدن نور، می‌توانند نقشه‌ای از توزیع ماده تاریک در کیهان تهیه کنند؛ حتی اگر آن ماده مستقیماً دیده نشود.

• تابش زمینه کیهانی (CMB): تابش زمینه کیهانی پرتویی است که از بیگ‌بنگ به‌جا مانده و هنوز در سراسر جهان قابل اندازه‌گیری است. این تابش شامل نوسانات دمایی بسیار جزئی است که نحوه‌ی توزیع ماده در کیهان اولیه را نشان می‌دهد. الگوی این نوسانات تنها در صورتی با مشاهدات فعلی سازگار است که ماده تاریک از همان آغاز حضور داشته و باعث شده باشد ماده‌ی معمولی گرد هم بیاید و ساختارهای بزرگ کیهانی شکل بگیرند.
• ساختار بزرگ‌مقیاس جهان: شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از شکل‌گیری و تکامل کیهان نشان می‌دهند که کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی فقط در حضور مقدار زیادی ماده تاریک به شکل امروزی خود در‌می‌آیند. در غیاب ماده تاریک، جهان به‌جای داشتن ساختارهای منظم و غول‌پیکر، پر از تجمعات پراکنده و کوچک‌تر می‌بود.

شواهد یادشده با وجود تفاوت در منشأ و مقیاس، همگی یک نتیجه را تأیید می‌کنند: بخش اعظم جرم کیهان از ماده‌ای تشکیل شده که نمی‌توان آن را دید، اما درعین‌حال نمی‌توان تأثیرش را انکار کرد.

دانشمندان از روش‌های مختلفی برای جست‌وجوی ماده تاریک استفاده می‌کنند. جست‌وجوی هر کاندیدای احتمالی برای ماده تاریک، استراتژی متفاوتی دارد. اما دو رویکرد اصلی وجود دارد؛ اخترشناسان توزیع ماده تاریک را با مشاهده تجمع مواد و حرکت اجسام در جهان تحلیل می‌کنند و فیزیکدانان ذره‌ای نیز به دنبال شناسایی ذرات بنیادی هستند که ماده تاریک را تشکیل می‌دهند.

رویکرد فیزیکدانان ذره‌ای برای شناخت ماده تاریک معمولاً استفاده از روش‌های مستقیم است. هدف این آزمایش‌ها مشاهده مستقیم ذرات ماده تاریک در تعامل با ماده معمولی است. این روش‌ها اغلب شامل آشکارسازهای بزرگ و حساسی هستند که در اعماق زمین قرار دارند تا از آنها در برابر پرتوهای کیهانی محافظت کنند.

«چم‌کور گاگ»، فیزیکدان دانشگاه کالج لندن و همکار LUX، در بیانیه‌ای گفته است: «اگرچه یک سیگنال مثبت می‌توانست خوشایند باشد، طبیعت آنقدر مهربان نبود! بااین‌حال، نتیجه منفی هم مهم است؛ زیرا چشم‌انداز این حوزه را تغییر می‌دهد و مدل‌هایی را که درباره ماهیت ماده تاریک وجود دارد، محدود می‌کند.»

رصدخانه «ردیاب نوترینو آیس کیوب»، یکی دیگر از آزمایش‌ها است که زیر سطح یخ‌زده جنوبگان دفن شده است و به دنبال نوترینوهای استریل فرضی می‌گردد. آزمایش‌هایی که به دنبال شناسایی ذرات فرار ماده تاریک هستند، در شتاب‌دهنده‌های ذرات قدرتمند «سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای» (سرن) در سوئیس انجام می‌شوند.

مطالعات کیهان‌شناسی نیز از توزیع مشاهده‌شده ماده تاریک در جهان برای استنباط خواص ماده تاریک استفاده می‌کنند. چندین تلسکوپ در حال چرخش به دور زمین، به دنبال اثرات ماده تاریک هستند. فضاپیمای «پلانک» آژانس فضایی اروپا که در سال ۲۰۱۳ بازنشسته شد، چهار سال را در نقطه لاگرانژ ۲، صرف نقشه‌برداری از تابش زمینه کیهانی، کرد. ناهنجاری‌ها در توزیع این تابش، سرنخ‌هایی درباره توزیع ماده تاریک ارائه داد.

در سال ۲۰۱۴، «تلسکوپ فضایی فرمی» ناسا نقشه‌هایی از قلب کهکشان ما، راه شیری، در نور پرتو گاما تهیه کرد و افزایش انتشار پرتو گاما را که از هسته آن گسترش می‌یابد، نشان داد. این سیگنال نمی‌تواند با جایگزین‌های پیشنهادی کنونی توضیح داده شود و به پیش‌بینی‌های مدل‌های بسیار ساده از ماده تاریک نزدیک است.

اما این نتیجه به تنهایی نمی‌تواند نشانه‌ای قوی برای ماده تاریک محسوب شود. داده‌های اضافی از پروژه‌های رصدی دیگر یا آزمایش‌های شناسایی مستقیم برای تأیید این تفسیر لازم خواهد بود.

تلسکوپ فضایی «جیمز وب»، که پس از ۳۰ سال توسعه در ۲۵ دسامبر ۲۰۲۱ راه‌اندازی شد، نیز انتظار می‌رود به جست‌وجوی این ماده فرار کمک کند. این تلسکوپ با چشمان فروسرخ قدرتمند خود نمی‌تواند ماده تاریک را به طور مستقیم مشاهده کند، اما انتظار می‌رود با مشاهده تکامل کهکشان‌ها از مراحل اولیه جهان، بینش‌هایی ارائه دهد که پیش از این ممکن نبوده است.

مأموریت «اقلیدس» آژانس فضایی اروپا که در یکم ژوئیه ۲۰۲۳ پرتاب شد، در حال حاضر به دنبال ماده تاریک و انرژی تاریک است. هدف این مأموریت نقشه‌برداری از هندسه ماده در جهان، به ویژه توزیع کهکشان‌ها، برای یادگیری بیشتر درباره ماده تاریک است.

ماده تاریک، یکی از اسرارآمیزترین مفاهیم در کیهان‌شناسی مدرن است. مشاهدات اخترشناسی، از چرخش کهکشان‌ها گرفته تا الگوهای تابش زمینه کیهانی، همه نشان می‌دهند که بخش عمده‌ای از جرم جهان از ماده‌ای ناشناخته تشکیل شده که تنها از طریق گرانش می‌توان به حضور آن پی برد. اما هنوز معماهای زیادی درباره آن وجود دارد و تاکنون هیچ نشانه‌ی قطعی از ماهیت آن به‌دست نیامده است.

در سال‌های اخیر برنامه‌های زیادی توسط اخترشناسان و فیزیکدانان برای کشف و شناسایی ماده تاریک تدارک دیده شده است. درک ماهیت ماده تاریک نه‌تنها برای شناخت بهتر جهان ضروری است، بلکه می‌تواند انقلابی در فیزیک بنیادی ایجاد کند. شاید پاسخ این معما در آینده‌ای نه‌چندان دور، چهره‌ی علم را برای همیشه دگرگون کند.