انرژی و ماده تاریک –

– انرژی تاریک

در کیهان‌شناسی، انرژی تاریک نوعی انرژی فرضی و شگفت‌انگیز است که سرعت انبساط جهان را می‌افزاید. انرژی تاریک رایج‌ترین راه برای توضیح‌دادن مشاهدات اخیر است که می‌گویند جهان با آهنگ رو به افزایشی (با شتاب) منبسط می‌شود. در مدل استاندارد کیهان‌شناسی حدود ۷۳٪ از جرم-انرژی جهان از انرژی تاریک ساخته شده است. توضیح پیچیده ریاضیاتی انرژی تاریک نظریه میدان اسکالر می باشد.

– مادۀ تاریک

مادۀ تاریک ، در اخترشناسی و کیهان‌شناسی، مادّه‌ای فرضی است که چون از خود نور (امواج الکترومغناطیسی) 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 تشکیل دهنده بخش زیادی از جرم موجود در جهان قابل مشاهده است. اجزای ماده تاریک جرم بسیار بیشتری از قسمت دیده شدنی کائنات 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 ۲۳٪ از ماده تاریک تشکیل شده باشد و ۷۳٪ باقی مانده 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 مبین عدم اطلاع انسان از ماهیت این دو ماده و ناشناخته بودن آن است. یک اخترشناس در این باره می‌گوید: «به یاد داشته باشید که ما این پدیده را انرژى تاریک مى نامیم اما این نامگذارى ممکن است این باور غلط را در ذهن مخاطبان ایجاد کند که ما حقیقتاً مى دانیم که آن پدیده چیست. اما باید اذعان داشت که ما واقعاً چیز زیادى در این باره نمى دانیم».

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 غیرباریونی 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 و طبیعت آن به دست نیامده‌است. با این وجود تئوری ماده تاریک به عنوان قابل قبول‌ترین فرضیه برای توجیه انحراف در حرکت وضعی کهکشان 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 توز (TeVeS) برای توجیه این موضوع مطرح شده‌اند، اما هیچ کدام 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.

حدود ۲۰۰ میلیارد کهکشان که هر کدام دارای تقریباً ۲۰۰ میلیارد ستاره است به وسیله تلسکوپ ها قابل تشخیص است. اما این تعداد فقط ۴ درصد از محل گیتی را تشکیل می دهد.
حدود ۷۳ درصد از جهان از ماده دیگری ساخته شده است که «انرژی تاریک» (dark matter) نامیده می شود. هیچ کس نمی داند که ماهیت این ماده ناشناخته چیست، اما مقدار این نوع ماده از تمام اتم های موجود در تمام ستارگان موجود در کل کهکشان های قابل شناسایی گستره فضا بسیار بیشتر است. به نظر می رسد این نیروی عجیب، اجزای جهان را با سرعت فزاینده ای از یکدیگر دور می کند، در حالی که نیروی گرانش با این نیرو مقابله کرده و از سرعت این گسترش می کاهد.

این اکتشاف ها به وسیله رصدخانه مداری که کاوشگر ناهمسانگرد ریز موج ویلکینسون (WMAP) نامیده می شود، انجام شده است. این کاوشگر افت و خیزهای ناچیز موجود در پرتوهای ریز موج پس زمینه کیهانی را اندازه می گیرد که در اثر پژواک های میرای انفجار بزرگ به وجود آمده است…

این یافته ها به مشاجرات فراوانی که در مورد جهان، عمر جهان، سرعت انبساط آن و ترکیب آن جریان داشت، پایان داد. با استفاده از نتایج دو تحقیق ذکر شده، اخترشناسان امروز بر این باورند که سن جهان ۱۳.۷ میلیارد سال با تقریب چند صد هزار سال است. براساس اطلاعات موجود، جهان با سرعت شگفت آور ۷۱ کیلومتر در ثانیه در مگابارسک در حال انبساط است. (بارسک یک واحد اخترشناسی است و تقریباً برابر ۳.۲۶ میلیون سال نوری است).

به نظر می رسد که چیزی در فضا نهفته است و همانند نوعی نیروی ضد گرانشی عمل می کند. این نیرو باعث می شود که به جای آن که جهان متراکم شود و اجزای آن به یکدیگر نزدیک شود، انبساط می یابد. از حدود بیست سال پیش حدس می زنند که در جهان ماده تاریک وجود دارد، چرا که در آن زمان دریافتند که جهان به گونه ای عمل می کند که انگار بسیار سنگین تر از چیزی است که واقعاً به نظر می رسد.

گرچه انیشتین ثابت کیهانی را بزرگترین اشتباه خود خواند اما شاید این عامل یکی از بزرگترین دستاوردهای مطالعات او باشد. دانشمندان برای توجیه پدیده مشاهده شده همه احتمالات ممکن را در نظر گرفتند از جمله وجود سیاهچاله ها، کوتوله های قهوه ای و ذرات غیرقابل شناسایی که از نظر ماهیت با انواع معمولی اتم ها تفاوت دارند اما هیچ کدام از آنها نتوانست جرم بسیار زیاد مشاهده شده را توجیه کند. اما داستان انرژی تاریک از سال ۱۹۹۸ آغاز شد. در آن زمان دانشمندان دریافتند که بسیاری از کهکشان های دور دست با سرعتی بسیار بیشتر از آن چه که محاسبات موجود پیش بینی کرده اند، از یکدیگر دور می شوند تحقیقاتی که روی انواع ویژه ای از ابر نواختر ها (Supernova) انجام شد بیانگر آن بود که محاسبات انجام شده اشتباهی نداشت، به عبارت دیگر محاسبات دقیق نشان دهنده آن بود که سرعت انبساط جهان لحظه به لحظه در حال افزایش است و از سرعت این انبساط کاسته نمی شود.

به نظر می رسد کشف بعضی از انواع نیروهای غیرمنتظره غیرقابل شناسایی که باعث می شوند ساختار فضا به طور مرتب از یکدیگر فاصله گرفته و از هم دور شوند موید مشاهدات هالدین (JBS Haldane) دانشمند انگلیسی است که سال ها پیش صورت گرفته است. وی می گوید: «جهان عجیب تر از چیزی است که فکر می کنیم، جهان حتی عجیب تر از چیزی است که بتوان فکرش را کرد.»

یک بار دیگر پرسش های اساسی بسیاری در مورد ماهیت جهان مطرح شده است: ماهیت فضا، زمان، انرژی و ماده چیست؟ اکنون یک بار دیگر زمان آن فرا رسیده است که نظریه پردازان تفسیری بر این مشاهدات ارائه دهند و در مرحله بعد آزمایشاتی را طراحی کنند که موید نظریه های آنان باشد.

بنابراین دانشمندان یکبار دیگر توجه خود را معطوف همان پدیده ای کرده اند که برای اولین بار شاهدی بر انفجار بزرگ (Big Bang) محسوب می شد، یعنی تابش پس زمینه ریز موج کیهانی. این تابش ها اولین پرتوهای پس از تولد جهان محسوب می شوند. دانشمندان درصددند با انجام آزمایش های متعددی در چند رشته مختلف از جمله آزمایش های صورت گرفته در جنوبگان و استفاده از بالون های در ارتفاع های بسیار بالا تصویر دقیق تری از کیهان به دست آورند: به نظر می رسد جهان باید شامل چیز دیگری به غیر از این اتم های معمولی باشد و به همین نام ماده تاریک برای آنان انتخاب شد.

رئیس موسسه اخترشناسی کمبریج در این مورد می گوید: «اما WMAP با اطلاعات بسیار دقیقی که از فضاپیمای کوچکی در فاصله چند میلیون کیلومتری ارسال می کند شواهد بسیار محکمی ارائه کرده است. ماده تاریک به طور یکنواخت در تمام جهان پراکنده شده، و در فضاهای خالی مخفی شده است. ماهیت ماده تاریک هنوز به صورت یک راز است. این احتمال واقعاً وجود دارد که طی ۵ تا ۱۰ سال آینده ما به ماهیت واقعی ماده تاریک پی ببریم، اما من امید چندانی برای درک ماهیت انرژی تاریک ندارم، مگر آن که یک تئوری منسجم ارائه شود که ماهیت فضا و زمان را برای ما به طور دقیق تر روشن سازد.»

منابع :
دانشنامه ویکی پدیا
روزنامه شرق – تیم ردفورد – ترجمه سلیمان فرهادیان