دانشمندان توضیح می‌دهند: ماده‌ی تاریک چیست؟

هنگامی که دستتان را بر روی میز می‌گذارید در‌واقع آن چیزی که لمس می‌کنید و مانع گذشتن دست شما از میز می‌شود نیروی دافعه‌ی الکترومغناطیسی بین اتم‌های دست شما و میز است، اما در مورد ماده‌ی تاریک تا جایی که می‌دانیم به نظر نمی‌رسد چنین نیرویی وجود داشته باشد. بنابراین اگر در اتاقی که نشسته‌اید ماده‌ی تاریکی وجود داشته باشد، که به احتمال زیاد هم وجود دارد، این مواد آزادانه از بدن شما عبور می‌کنند. اما ماده‌ی تاریک جاذبه دارد و ما اثرات این جاذبه را در رفتار کهکشان‌ها و خوشه‌های کیهانی و همچنین خم شدن نور بر اثر این گرانش می‌توانیم ببینیم.

محتویات جهان بر اساس آخرین اطلاعات به دست آمده از فضاپیمای پلانک

اولین شواهد از وجود ماده‌ی تاریک در دهه‌ی ۱۹۳۰ به دست آمد، در آن زمان ستاره شناسان فرض کردند برخی از انواع مرموز و جدیدی از ماده وجود دارد که قابل مشاهده نیست، و این ماده با گرانش خود مانع از هم پاشیدن کهکشان‌ها و خوشه‌ها به فضا شده و جهان را در کنار هم نگه می‌دارند. اگر فقط وجود گرانش را مبنای وجود ماده‌ی تاریک در نظر بگیریم عاقلانه است که این تغییرات را به قانونی کشف نشده از جاذبه به جای وجود ماده‌ای مرموز نسبت دهیم، اما شواهد دیگری وجود ماده‌ی تاریک را به عنوان عضوی اصلی از جهان ثابت می‌کنند. به عنوان مثال در حرکت کهکشان‌ها، حرکات درون کهکشانی‌، حرکت گازهای داغ درون خوشه‌ها، عدسی‌های گرانشی کیهانی، تابش پس زمینه‌ی کیهانی، توزیع ماده در مقیاس‌های بزرگ و برخورد خوشه‌های کیهانی و تقریباً در همه جا تأثیرات ماده‌ی تاریک مشهود است. برخی از قوی‌ترین شواهد در مورد وجود این ماده پس از برخورد خوشه‌های کهکشانی یافت می‌شود، این تصادم کیهانی می‌تواند به طور موثری ماده‌ی تاریک را از ستارگان و گازها جدا کند. با در نظر گرفتن ساده‌ترین نظریه‌ها در مورد ماده‌ی تاریک می‌توانیم بسیاری از مشاهدات را توضیح دهیم، اگرچه هنوز هم ناهنجاری‌هایی غیر قابل توضیح باقی‌مانده است.

تصویر مرکب به دست آمده از تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ اشعه‌ی X چاندرا، خوشه‌ی گلوله که از برخورد دو کهکشان به وجود آمده است را نشان می‌دهد. گازهای یونیزه به رنگ صورتی به نمایش درآمده و فرآوانی ماده‌ی تاریک که به وسیله‌ی عدسی گرانشی تخمین زده می‌شود به رنگ آبی به تصویر کشیده شده است.

باید گفت که در راه شناسایی ماده‌ی تاریک قدم‌های ابتدایی را برداشته‌ایم. چندین آزمایش در مورد این ماده جواب‌های متضادی به ما داده‌اند، پس هنوز دانشمندان به سختی می‌توانند توضیحی قانع کننده در باره‌ی ماهیت این ماده به ما ارائه دهند؛ اما در کنار تمام این اسرار مطمئنیم به بعضی از جواب‌ها در مورد خواص این ماده رسیده‌ایم، از جمله اینکه ماده‌ی تاریک ماده‌ای کاملاً سرد است (حرکت جنبشی نسبی در این ماده وجود ندارد)، از نوعی ذرات بنیادی تشکیل شده است، و به نظر نمی‌رسد تأثیر قابل توجهی غیر از تغییرات گرانشی بر فضا زمان بگذارد (یعنی تنها تداخلات مهم که به راحتی نیز قابل تشخیص است فعل و انفعالات گرانشی ماده‌ی تاریک در کنار مواد دیگر است).

سه راه برای تشخیص وجود ماده‌ی تاریک وجود دارد:

اگر این ذرات بنیادی تنها تأثیر موثرشان گرانش باشد و بتوانند از درون مواد دیگر بگذرند پس در تمام مدت باید از زمین نیز بگذرند. آزمایش‌های تشخیص مستقیم بر اساس اثری به نام پس زنی هسته‌ای پایه گذاری شده‌اند. در آزمایش CDMS-II که در یک معدن آهن قدیمی در ایالت مینه سوتا در حال انجام است، محموله‌ای از سیلیکون و ژرمانیم را در محیط به شدت محافظت شده از ورود ذرات استاندارد دیگر، در عمق زمین قرار داده‌اند و آشکارسازهای بسیار حساس آن را تحت نظر دارند. اگرچه ماده‌ی تاریک می‌تواند از فضای بین الکترونی عبور کند اما از هسته‌ی اتم‌ها نمی‌تواند بگذرد و در برخورد با هسته انتظار تولید نوعی انرژی را خواهیم داشت. اما ممکن است مقداری نوترون از فضا یا از تجزیه‌های رادیواکتیو محلی وارد این آزمایش شوند و نتیجه‌ای شبیه به برخورد با ماده‌ی تاریک را به وجود بیاورند که تنها راه گذشتن از این مشکل تعیین دقیق مقدار این نوترون‌ها و مقایسه‌ی آن با نتایج آزمایش است.

نتایج به دست آمده از آزمایش CDMS-II ، نقطه‌های قرمز رویدادهایی هستند که احتمالاًبر اثر برخورد با ماده‌ی تاریک به دست آمده است.

از آزمایش CDMS با کنار گذاشتن باقی برخوردهای نوترونی سه کاندیدا برای ماده‌ی تاریک به دست آمد. احتمال اینکه این سه نقطه بر اثر برخورد ماده‌ی تاریک به سیستم به وجود آمده باشند ۹۹.۸۱ درصد در مقابل اشتباه شناسایی یا چیزهای دیگر برآورد می‌شود. دقت این آزمایش از طرف کنوانسیون فیزیک ذرات امتیاز سه سیگما را به دست آورده که به معنای شواهدی قوی مبنی بر وجود ماده‌ی تاریک است، اما به مرحله‌ی تشخیص نمی‌رسد. اگر امتیاز پنج سیگما به این آزمایش داده شده بود آنگاه همانند کشف بوزون هیگز، ماده‌ی تاریک نیز به عنوان یک کشف واقعی تلقی میشد.

در بسیاری از مدل سازی‌های ماده‌ی تاریک برای این ماده پاد ذره‌ای نیز در نظر گرفته شده که اگر این پاد ذره با قدرت مناسب به ذرات ماده‌ی تاریک برخورد کند باعث نابودی آن می‌شود. تلسکوپ‌های ما در نقاطی که تمرکز ماده‌‌ی تاریک زیاد است مانند مرکز کهکشان‌ها به دنبال تولید ذرات پر انرژی حاصل از این نابودی مانند اشعه‌ی گاما می‌گردند. به تازگی شواهد جالبی از این مشاهدات اخترفیزیکی به دست آمده اما حداقل تا چند سال آینده باید منتظر جمع‌بندی و به نتیجه رسیدن آن‌ها بمانیم.

به نظر می‌رسد در دوران اولیه‌ی تولد جهان، هنگامی که چگالی کائنات بیشتر از جهان کنونی بود مقدار زیادی از ماده‌ی تاریک به ماده‌ی استاندارد تبدیل شده باشد، و شاید معکوس این فرآیند نیز امکان‌پذیر باشد.

روش‌های مختلف تشخیص ذرات ماده‌ی تاریک (DM) با مدل استاندارد ذرات ماده (SM)

(Thermal freeze out) اتفاقی است که پس از روزهای اولیه‌ی جهان برای ماده‌ی تاریک افتاده است، با انبساط جهان دیگر ماده‌ی تاریک به اندازه‌ی کافی متراکم نیست که با برخورد ذرات آن به یکدیگر ماده‌ی استاندارد ساخته شود، اما شاید معکوس این اتفاق را بتوانیم انجام دهیم.

تئوری این است که ممکن است بر اثر کوبیده شدن ذرات ماده‌ی استاندارد به یکدیگر (به عنوان مثال پروتون‌ها) در انرژی به اندازه‌ی کافی بالا، برای لحظاتی ماده‌ی تاریک به وجود بیاید. به بیان دیگر اگر ماده‌ی تاریک توانایی تبدیل به ذرات استاندارد ماده را در ابتدای تولد جهان را داشته است، پس ممکن است معکوس این فرآیند نیز امکان‌پذیر باشد. بنابراین اگر این تبدیل در آشکارسازهای LHC صورت گیرد دانشمندان می‌توانند به دقت تمام مراحل این تبدیل را ببینند و با توجه به اینکه تاکنون قادر به مشاهده‌ی ماده‌ی تاریک نبوده‌ایم، این کشف بسیار بزرگی خواهد بود.

آیا ماده‌ی تاریک می‌تواند از ذرات مختلفی تشکیل شده باشد و نیروهای مختلفی نیز در خود داشته باشد؟ آیا ممکن است کهکشان‌هایی غیر قابل مشاهده از ماده‌ی تاریک، سیارات و حتی زندگی‌هایی از ماده‌ی تاریک ساخته شده باشند؟

تشکیل عدسی گرانشی کیهانی بر اثر جاذبه‌ی ناشی از ماده‌ی تاریک

بله، ماده‌ی تاریک جرم دارد و سیاه چاله‌ها گرانش وحشتناکی ایجاد می‌کنند که جرم را به درون خود می‌کشد اما از آنجا که ماده‌ی تاریک حرکت زاویه‌ای ندارد بلعیدن آن برای سیاه چاله مشکل است، زیرا ماده‌ی تاریک برای سقوط در سیاه چاله باید به طور مستقیم وارد آن شود. امکان دارد با سقوط ذرات ماده‌ی تاریک به درون سیاه چاله اشعه‌ی پر قدرت گاما از افق سیاه چاله ساطع بشود و در صورتی که چنین اتفاقی بیفتد، ممکن است بتوانیم این شواهد وجود ماده‌ی تاریک را مشاهده کنیم.

مدل سه بعدی کامپیوتری از آنچه ممکن است سیگنال‌های اشعه‌ی گاما ناشی از سقوط ماده‌ی تاریک به درون سیاه چاله به وجود بیاورند. به دلیل اینکه ذرات از چپ به راست در حال چرخش به دور سیاه چاله هستند این سیگنال تنها از یک سمت قابل مشاهده است.