با ۵ گزینه‌ محتمل به عنوان ماده‌ تاریک آشنا شوید

دلیل باور ما به وجود ماده‌ی تاریک، مشاهده‌ی کشش گرانشی خوشه‌های کهکشانی و پدیده‌های دیگر است. ماده‌ی موجود در هر خوشه برای پابرجا نگه داشتن آن توسط گرانش کافی نیست، بنابراین باید مقداری ماده‌ی نامرئی یا تیره نیز وجود داشته باشد. اما ما هنوز از ماهیت آن آگاه نیستیم، این ماده می‌تواند ترکیبی از ذرات جدید و ناشناخته باشد.

یک ذره از جنس ماده‌ی تاریک می‌تواند از طریق چهار نوع نیروی بنیادی قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی و گرانشی با مواد دیگر برهم‌کنش داشته باشد؛ نیروی قوی هسته‌ی اتم‌ها را به هم پیوند می‌دهد، نیروی ضعیف مسئول واپاشی ذرات مانند واپاشی هسته‌ای است، نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار الکتریکی اثر می‌کند و نیروی گرانشی نیز مسئول برهم‌کنش‌های گرانشی است. برای اینکه ماده‌ای در فضا قابل مشاهده باشد، باید از طریق نیروی الکترومغناطیسی با مواد دیگر برهم‌کنش داشته باشد، این برهم‌کنش منجر به انتشار نور یا سایر تشعشعات الکترومغناطیسی قابل شناسایی توسط تلسکوپ خواهد شد.

در حال حاضر تعدادی گزینه وجود دارد که احتمال می‌رود، ماده‌ی تاریک از جنس آن‌ها باشد، هر کدام از این ‌گزینه‌ها از طریق یک روش منحصربفرد با مواد دیگر برهم‌کنش دارند. در این‌جا با ۵ نمونه از محتمل‌ترین گزینه‌ها آشنا خواهیم شد.

ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMP) ذراتی فرضی هستند که ماهیت آن‌ها به طور کامل با انواع موادی که با آن‌ها آشنایی داریم متفاوت است. این ذرات از طریق نیروی الکترومغناطیس امکان برهم‌کنش دارند. این امر می‌تواند توجیهی برای نامرئی بودن این ماده در فضا باشد. در هر ثانیه تقریبا ۱۰۰ هزار ذره‌ی WIMP از هر سانتی‌متر مربع از زمین عبور می‌کند و تنها از طریق نیروی ضعیف و گرانش با مواد اطراف خود برهم‌کنش دارند.

با فرض وجود WIMP، مدلسازی‌های ریاضی نشان می‌دهند که میزان این ماده باید تقریبا ۵ برابر مواد عادی باشد که این میزان با فراوانی ماده‌ی تاریک در جهان هستی همخوانی دارد. این موضوع به مفهوم آن است که به دلیل بازگشت ذرات باردار به حالت اولیه‌ی خود در حین برخورد آن‌ها با یکدیگر، قادر به شناسایی ذرات WIMP خواهیم شد، چرا که بازگشت ذرات باردار به حالت طبیعی خود، منجر به تولید نوری می‌شود که ما قادر به مشاهده‌ی آن در آزمایش‌هایی نظیر XENON100 هستیم. ذرات WIMP بارها در پژوهش‌های گسترده‌ای به خصوص در سطوح فراتر از مدل استاندارد فیزیک مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. براساس این پژوهش‌ها پیش‌بینی می‌شود که چنین ذره‌ای باید وجود داشته باشد (معجزه‌ی WIMP).

اکسیون‌ها ذراتی با جرم کم هستند که به آهستگی حرکت می‌کنند. این ذرات باردار نبوده و تنها از طریق نیروی ضعیف امکان برهم‌کنش با مواد دیگر را دارند. این موضوع باعث می‌شود که اکسیون‌ها به سختی قابل شناسایی باشند. تنها اکسیون‌هایی با جرم‌های به خصوص می‌توانند ماهیت نامرئی ماده‌ی تاریک را شرح دهند، چرا که اگر این ذرات کمی سبک‌تر یا سنگین‌تر باشند، قابل رویت خواهند بود. اگر اکسیون‌ها وجود داشته باشند امکان واپاشی و تبدیل شدن به یک جفت ذره‌ی نوری (فوتون) را خواهند داشت، بنابراین برای آنکه قادر به شناسایی آن‌ها باشیم باید به دنبال چنین جفت‌هایی باشیم. در حال حاضر آزمایشاتی نظیر آزمایش ماده‌ی تاریک اکسیون با هدف یافتن اکسیون‌ها با این روش، در حال انجام هستند.

واژه‌ی MACHO مخفف عبارتی به مفهوم جسم هاله‌ای فشرده‌ی سنگین بوده و به عنوان یکی از نخستین گزینه‌ها به عنوان ماده‌ی تاریک مطرح شده است. این اجسام شامل ستاره‌های نوترونی و ستاره‌های قهوه‌ای و سفید "کوتوله" بوده و ترکیبی از مواد عادی هستند. اما دلیل نامرئی بودن این اجسام آن است که میزان انتشار نور توسط آنها در بازه‌ی بین صفر تا میزان بسیار کم است.

یکی از راه‌های مشاهده‌ی آن‌ها، پایش میزان درخشندگی ستارگان دوردست است. همان طور که پرتوهای نور هنگام گذر از نزدیکی یک جسم عظیم منحرف می‌شوند، پرتورهای نور منبعی در دوردست احتمالا توسط یک جسم نزدیکتر برای روشن ساختن ناگهانی جسمی دیگر در دوردست متمرکز می‌شوند، این پدیده همگرایی گرانشی نام دارد. با توجه به میزان ماده‌ی عادی و تاریک موجود در یک کهکشان، می‌توانیم از این پدیده برای محاسبه‌ی مقدار ماده‌ی پنهان استفاده کنیم. با این حال می‌دانیم که وجود مقدار کافی از این اجسام تاریک برای پوشش دادن حجم فوق‌العاده زیاد از ماده‌ی تاریک موجود، دور از ذهن است.

نظریه‌ی کالوزا - کلین بر اساس وجود یک بعد پنجم نامرئی موجود در فضا در کنار سه بعد فضایی شناخته شده‌‌ی ارتفاع، عرض و عمق و زمان مطرح شده است. این نظریه که پیش درآمدی بر نظریه‌ی ریسمان است وجود ذره‌ای را پیش‌بینی می‌کند که احتمال می‌رود از جنس ماده‌ی تاریک باشد. این ذره جرمی معادل ۵۵۰ تا ۶۵۰ پروتون خواهد داشت.

چنین ذره‌ای امکان داشتن برهم‌کنش به دو طریق الکترومغناطیسی و گرانشی را خواهد داشت. با این حال به دلیل آنکه در بعدی قرارگرفته که قادر به دیدن آن نیستیم، نمی‌توانیم صرفا با نگاه به آسمان، آن را مشاهده کنیم. خوشبختانه به دلیل آنکه این ذره در حین واپاشی به نوترینو و فوتون تبدیل می‌شود، با انجام آزمایشاتی قادر به شناسایی آن خواهیم بود. با این حال کماکان شتاب‌دهنده‌های قدرتمندی همچون برخورددهنده هادرونی بزرگ قادر به شناسایی این ذره نشده‌اند.

نظریه‌هایی که ترکیبی از نسبیت عام و ابرتقارن هستند، وجود ذره‌ای موسوم به Gravitino را پیش‌بینی می‌کنند. ابرتقارن یکی از نظریاتی است که مشاهدات بسیاری را در دنیای فیزیک توجیه می‌کند، این نظریه بیان می‌کند که کلیه‌ی ذرات بوزون (به عنوان نمونه فوتون یا ذرات نور) ابرهمزادی موسوم به فوتینو دارند. این ابرهمزاد خاصیتی با عنوان اسپین (نوعی از مومنتوم زاویه‌ای) را دارد که تفاوتشان در یک عدد نیمه‌صحیح است. گراویتینو ابرهمزاد ذره فرضی گراویتون است و گمان می‌رود که به عنوان واسطه‌ی نیروی گرانش عمل می‌کند. در برخی از مدل‌های ابرگرانش که گراویتینو جرم کمی دارد، می توان آن را به عنوان ماده‌ی تاریک به حساب آورد.