پیوند دو پدیده پنهان جهان؛ آیا ماده تاریک و انرژی تاریک به یکدیگر متصل هستند؟

خلاصه مقاله:

• بیش از ۹۵ درصد کیهان را دو پدیده نامرئی و مرموز به نام ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل داده‌اند که در مدل سنتی، کاملاً مستقل از یکدیگر در نظر گرفته می‌شوند. بااین‌حال، رصدهای اخیر نشان داده است که شدت انرژی تاریک برخلاف تصورات گذشته ثابت نیست؛ امری که دانشمندان را به این فرضیه رسانده که شاید این دو نیروی پنهان از نظر فیزیکی با یکدیگر در ارتباط باشند.
• برخی پژوهشگران از جمله کامران وفا پیشنهاد می‌کنند که جداپنداشتن دو پدیده نادرست است و برهم‌کنش میان آن‌ها می‌تواند پدیده‌هایی مانند «رژیم فانتوم» یا معمای طولانی‌مدت «تنش هابل» را توضیح دهد. مدل‌های برخاسته از نظریه ریسمان و ایده‌هایی مثل «بُعد تاریک» نیز نشان می‌دهند که انتقال انرژی میان ماده و انرژی تاریک از نظر تئوریک کاملاً منطقی است و می‌تواند بخش گمشده‌ی پازل انبساط کیهان باشد.
• رویکرد جفت‌شدگی ماده تاریک و انرژی تاریک هنوز در قلمرو فیزیک نظری قرار دارد؛ اما تأیید تجربی این پیوند پنهان می‌تواند به بازنویسی مدل استاندارد کیهان‌شناسی و درکی کاملاً نو از ساختار، تاریخ و آینده‌ی جهان منجر شود.

برای کسانی که جهان را مکانی تاریک می‌بینند، کیهان ظاهراً تسلی چندانی ارائه نمی‌کند. براساس برآوردهای کنونی، حدود ۷۰ درصد از ماده و انرژی تشکیل‌دهنده کیهان را انرژی تاریک تشکیل می‌دهد؛ نیروی ناشناخته‌ای که فضا را به انبساط وامی‌دارد. ۲۵ درصد دیگر نیز ماده تاریک است؛ عنصری مرموز که کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد.

اما از نظر معنای واژه، انرژی تاریک و ماده تاریک چندان «تاریک» نیستند، بلکه نامرئی‌اند. آن‌ها نور منتشر، بازتاب یا جذب نمی‌کنند و تاکنون مشاهده مستقیمشان غیرممکن بوده است.

به‌طور معمول، انرژی تاریک و ماده تاریک دو موجودیت جدا از هم در نظر گرفته می‌شوند و ماهیت پنهان آن‌ها مهم‌ترین وجه اشتراکشان است. اما رصدهای نجومی اخیر دانشمندان را به بررسی ایده‌ای کمتر رایج سوق داده است: اینکه شاید این دو پدیده در واقع از نظر فیزیکی با یکدیگر در ارتباط باشند.

در سال ۲۰۲۴، گروه پژوهشی DESI، مخفف «ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک»، شواهدی پیدا کرد که نشان می‌داد شدت انرژی تاریک، که گاهی «ثابت کیهان‌شناختی» نامیده می‌شود، ممکن است دیگر ثابت نباشد. سپس مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۵ که بر پایه‌ی داده‌های با حجم بیش از دو برابر اطلاعات قبلی انجام شد، به این نتیجه رسید که انرژی تاریک در طول زمان تغییر می‌کند.

این نتایج نشان می‌دهند که انرژی تاریک پس از رسیدن به حداکثر مقدار خود درحدود ۲ میلیارد سال پیش، شاید شروع به ضعیف‌شدن کرده باشد. اما نتایج همچنین حاکی از آن بودند که در دوره‌ای قدیمی‌تر، انرژی تاریک ممکن است قوی‌تر شده باشد؛ اتفاقی که ظاهراً با قانون پایستگی انرژی در تضاد است.

پژوهشگران افزایش چگالی انرژی تاریک در طول زمان را ورود انرژی تاریک به «رژیم فانتوم» می‌نامند و به توپی تشبیه می‌کنند که در مسیر سربالایی غلت می‌خورد. چنین چیزی قطعاً ممکن است، اما فقط در صورتی که نیرویی غیر از گرانش بر توپ اثر بگذارد. اکنون نظریه‌پردازان بیشتری این احتمال را بررسی می‌کنند که انرژی تاریک تحت تأثیر ارتباطش با ماده تاریک قرار دارد.

تیم تیت، فیزیک‌دان ذرات در دانشگاه کالیفرنیا ارواین، می‌گوید: «با اینکه دانشمندان فرض کرده‌اند انرژی تاریک و ماده تاریک هیچ ارتباطی با هم ندارند، می‌توان حالتی را تصور کرد که یکی بر دیگری اثر بگذارد و اگر این دو، جلوه‌هایی از نوعی نظریه یکپارچه برای جهان تاریک باشند، چندان تعجب‌آور نخواهد بود.»

ایده برهم‌کنش انرژی تاریک و ماده تاریک جدید نیست. برای مثال، جاستین کوری، فیزیک‌دان دانشگاه پنسیلوانیا، در سال ۲۰۰۵ این احتمال را بررسی کرده بود.

کوری به‌همراه دو همکارش در پژوهش ۲۰۰۵ این پرسش فرضی را مطرح کرد: آیا ممکن است نوعی انرژی تاریک وجود داشته باشد که چگالی انرژی آن در طول زمان افزایش پیدا کند؟ آن‌ها دریافتند که اگر انرژی تاریک و ماده تاریک بتوانند بر یکدیگر اثر بگذارند، ممکن است رفتاری نشان دهند که ظاهری شبیه رفتار فانتوم داشته باشد، اما در واقع چنین نباشد. کوری گفت: «این طبیعی‌ترین و ساده‌ترین راه برای دستیابی به چنین وضعیتی است.»

دو دهه بعد، یافته DESI مبنی بر اینکه انرژی تاریک شاید واقعاً در طول زمان تغییر می‌کند، کوری و دو همکارش در پنسیلوانیا، یعنی منگ-شیانگ لین و مارک ترودن را بر آن داشت تا مدلی از برهم‌کنش‌های تاریک بسازند که بر پایه نوعی همتای بخش تاریک از کرومودینامیک کوانتومی، یکی از نظریه‌های بنیادین فیزیک ذرات شکل گرفته بود. در مدل جدید، هم چگالی انرژی تاریک و هم جرم ماده تاریک همزمان تغییر می‌کنند.

مطالعه‌ای جدید نیز سناریویی مشابه را مطرح می‌کند. براساس این مدل که ماه ژانویه در مجله Physical Review D منتشر شد، ماده تاریک ممکن است در دوره‌ای پیشین از تاریخ کیهان، بخش کوچکی از انرژی خود را به انرژی تاریک منتقل کرده باشد. السا تکسیرا، کیهان‌شناس دانشگاه مون‌پلیه فرانسه و یکی از نویسندگان مطالعه، می‌گوید: «ماده تاریک ترمز اصلی انبساط [کیهان] است.» بنابراین، برداشتن بخشی از فشار این ترمز می‌توانست باعث شتاب‌گرفتن انبساط کیهان شود.

کامران وفا، فیزیک‌دان ایرانی‌تبار دانشگاه هاروارد نیز با این دیدگاه موافق است. او می‌گوید: «این تصور که می‌توان انرژی تاریک را مستقل از ماده تاریک محاسبه کرد، اشتباه است. این فرض که کیهان‌شناسان اغلب آن را مطرح کرده‌اند و گروه DESI نیز از آن پیروی کرده است، به رفتار فانتومی منجر شد که از نظر فیزیکی پذیرفتنی نیست.»

یافته‌های DESI تنها دلیل برای بررسی ارتباط میان انرژی تاریک و ماده تاریک نیستند. مطالعه اخیر تکسیرا و همکارانش نشان می‌دهد که اجازه‌دادن به برهم‌کنش این دو، دست‌کم در برخی سناریوها، می‌تواند یکی از پایدارترین مشکلات کیهان‌شناسی، یعنی «تنش هابل»، را کاهش دهد.

موضوع مورد بحث، نرخ کنونی انبساط کیهان است که «ثابت هابل» نامیده می‌شود. این نرخ را می‌توان با استفاده از نور به‌جامانده از کیهان اولیه که تصویری از چگونگی رشد کیهان در نخستین دوران‌هایش ارائه می‌دهد، اندازه‌گیری کرد. همچنین می‌توان آن را با استفاده از پدیده‌های جدیدتر، مانند انفجارهای ستاره‌ای یا ابرنواختر، اندازه گرفت؛ پدیده‌هایی که نشان می‌دهند کیهان امروزه چگونه در حال انبساط است.

براساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی، نرخ انبساط کیهان باید صرف‌نظر از روش اندازه‌گیری یکسان باشد. اما دانشمندان در سال‌های اخیر دریافته‌اند که نرخ انبساط در کیهان اولیه و کیهان امروزی تقریباً ۹ درصد با یکدیگر تفاوت دارند.

تکسیرا و همکارانش در مقاله خود نوشتند این اختلاف یا «تنش»، «بحث‌های داغی را در جامعه کیهان‌شناسی برانگیخته است؛ درباره اینکه آیا این تفاوت می‌تواند ناشی از خطاهای سیستماتیک باشد یا نشانه‌ای از فیزیک جدید است». مدل آن‌ها می‌گوید در جهانی که انرژی تاریک و ماده تاریک با یکدیگر برهم‌کنش دارند، چیزی که ظاهراً بحران ناشی از تفاوت نرخ‌های انبساط است، به پدیده‌ای تبدیل می‌شود که انتظار وقوعش را داریم.

کوری می‌گوید اگر انرژی تاریک و ماده تاریک واقعاً با یکدیگر برهم‌کنش داشته باشند، ممکن است منشأ مشترکی داشته باشند.

پژوهش‌های جاری در نظریه ریسمان (ایده‌ای که براساس آن جهان ما در بنیادی‌ترین و کوچک‌ترین مقیاس، از ریسمان‌های مرتعش تشکیل شده است)، راهی برای ارتباط‌دادن انرژی تاریک و ماده تاریک پیشنهاد می‌کنند. وفا و دو همکارش در سال ۲۰۱۹، با تکیه بر این ایده در نظریه ریسمان که انرژی تاریک ذاتاً متغیر است، به این نتیجه رسیدند که جرم ذرات ماده تاریک نیز ممکن است در طول زمان تغییر کند. آن‌ها سپس در سال ۲۰۲۲ پیشنهاد کردند که ماده تاریک و انرژی تاریک ممکن است با چیزی موسوم به «بُعد تاریک» ارتباط داشته باشند.

نظریه ریسمان، وجود ۶ یا ۷ بُعد اضافی را در کنار سه بُعد آشنای فضا و یک بُعد زمان مطرح می‌کند. تصور می‌شود تمام این ابعاد تا حد امکان کوچک باشند و اندازه‌شان به مقیاس پلانک، یعنی حدود ۱۰ به توان منفی ۳۵ متر، نزدیک باشد. اما پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که بُعد تاریک می‌تواند به‌مراتب بزرگ‌تر از سایر ابعاد باشد؛ در حد یک میکرومتر، یعنی ۱۰ به توان منفی ۶ متر.

گراویتون‌ها، ذرات نظری که نیروی گرانش را منتقل می‌کنند، ممکن است به این بُعد تاریک بزرگ‌تر نشت کنند. اگر چنین اتفاقی رخ دهد، آن‌ها جرم به دست می‌آورند و به چیزی تبدیل می‌شوند که «گراویتون‌های تاریک» نامیده می‌شود. این گراویتون‌های پرجرم در بُعد تاریک قرار خواهند داشت، اما آثار گرانشی آن‌ها در ابعاد دیگر احساس خواهد شد و به این ترتیب می‌توانند نقشی را ایفا کنند که معمولاً به ماده تاریک نسبت داده می‌شود.

ژرژ اوبید، فیزیک‌دان دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: «در این سناریو، یک جفت‌شدگی طبیعی بسیار خوب میان انرژی تاریک و ماده تاریک وجود دارد.» تغییر در اندازه بُعد تاریک می‌تواند بر انرژی تاریک و ماده تاریک هر دو اثر بگذارد.

اوبید و وفا به همراه آلک بدرویا از دانشگاه پرینستون و دیوید وو از دانشگاه هاروارد، در مقاله‌ای که در ژوئیه ۲۰۲۵ منتشر کردند، دریافتند که سناریوی پیشنهادی در سال ۲۰۱۹ با داده‌های DESI سازگار است. مدل آن‌ها پیش‌بینی می‌کند که شدت انرژی تاریک و جرم ماده تاریک در طول زمان کاهش خواهند یافت و نرخ تغییر انرژی تاریک با چگالی انرژی آن متناسب خواهد بود. به‌گفته‌ی وفا، از آنجایی که اندازه‌گیری‌های اخترفیزیکی نشان می‌دهند چگالی انرژی تاریک به‌شدت ناچیز است، «این تغییر سریع نخواهد بود.»

وفا می‌گوید: «تعجب‌آور نیست که تا امروز متوجه آن نشده بودیم»، زیرا نرخ تغییر آن بسیار ناچیز است. «برای شناسایی چنین تغییر کوچکی مجبور بودیم تمام عمر کیهان را صبر کنیم.»

اتفاقاً دو فیزیک‌دان به‌نام‌های مارک کامیونکوفسکی از دانشگاه جانز هاپکینز و مایکل کِسدن از دانشگاه تگزاس در دالاس، پیش‌تر یکی از این آزمون‌ها را بررسی کرده بودند. آن‌ها در مقاله‌ای که سال ۲۰۰۶ منتشر شد، زنجیره‌ای از رویدادها را تصور کردند که در آن دو کهکشان به یکدیگر نزدیک می‌شوند و گرانش یکی از آن‌ها دیگری را تحت تأثیر قرار می‌دهد. اگر ماده تاریک نسبت به ماده معمولی، کشش گرانشی قوی‌تری به سوی ماده تاریک دیگری داشته باشد، نوع خاصی از «دنباله کشندی» (جریانی کشیده از ستاره‌ها، گاز و غبار) در پشت یکی از کهکشان‌ها شکل می‌گیرد.

کسدن و کامیونکوفسکی به دنبال این اثر گشتند، اما چیزی پیدا نکردند. همین موضوع به آن‌ها اجازه داد سقفی بالایی برای قدرت احتمالی این نیروی جاذبه اضافی تعیین کنند. این سقف حدود ۲۰ برابر بزرگ‌تر از مقداری بود که تیم وفا پیشنهاد کرده بود؛ بنابراین مقدار پیش‌بینی‌شده به‌خوبی در محدوده مجاز مشاهدات قرار می‌گرفت. کامیونکوفسکی گفت: «جالب است که اکنون در حال یافتن ارتباط میان آن کار نسبتاً انتزاعی و پژوهش‌های رصدی و تجربی هستیم.»

این واقعیت که پیش‌بینی حاصل از محاسبات نظریه ریسمان تقریباً با شواهد اخترفیزیکی مطابقت دارد، اعتبار مدل‌های «ریسمانی» را تأیید نمی‌کند. اما هرگونه تطابق میان نظریه ریسمان و آزمایش برای وفا رضایت‌بخش است؛ او چهار دهه گذشته را صرف تلاش برای خارج کردن این نظریه از قلمرو کاملاً مفهومی و رساندن آن به مرحله‌ای کرده است که بتواند پیش‌بینی‌های آزمون‌پذیر ارائه دهد.

اوبید نیز که پیش‌تر دانشجوی دکتری وفا بوده است، با همین هدف پیش می‌رود. او می‌گوید درک انرژی تاریک و ماده تاریک و رابطه‌ای که شاید میان آن‌ها وجود داشته باشد، مسئله‌ای بسیار دشوار است. «و فکر می‌کنم بسیار مفید است که از راه‌های مختلف به این مسئله نزدیک شویم»؛ چه از مسیر کیهان‌شناسی رصدی، چه فیزیک ذرات و چه نظریه ریسمان.

اوبید می‌گوید: «این همان شیوه‌ای است که باید علم را با آن پیش برد. منظورم این است که وظیفه فیزیکدانان نظری، کاوش در تمام احتمالات ممکن و مطرح‌کردن تمام گزینه‌های موجود است و در نهایت، این داده‌ها هستند که به ما کمک می‌کنند تصمیم بگیریم.»