ماده تاریک - نسخه قابل چاپ +- تالار گفتگو ستاره‌شناسان (https://www.astrotalk.ir) +-- انجمن: اخترفیزیک و کیهانشناسی (https://www.astrotalk.ir/forumdisplay.php?fid=9) +--- انجمن: کیهانشناسی (https://www.astrotalk.ir/forumdisplay.php?fid=61) +--- موضوع: ماده تاریک (/showthread.php?tid=1005)

ماده تاریک - Virologist - 09-08-2009 در سال 1933 فريتز زوييكي منجم آمريكايي سوييسي تبار پرده از رازي برداشت كه اكنون نيز منجمان در پي چند و چون آنند. زوييكي دريافت كه در عالم بيش از آن كه مي بينيم ماده وجود دارد و اين ماده نامشهود نظر منجمان را سخت به خود مشغول كرده است، چرا وجود آن بر چگالي عالم تاثير مي گذارد. در آغاز منجمين اين مجهول را "ماده گمشده" ناميدند. اما اين اصطلاح درستي نبود، چيزي در اين ميان گم نشده است. محاسبه زوييكي نشان داد كه اين ماده وجود دارد، فقط ما نمي توانيم آن را ببينيم از اين رو نام ديگري بر آن گذاشتند: "ماده تاريك". مجري: امروزه كيهان شناسان اين حقيقت را براي ما روشن ساخته اند كه ما فقط يك صدم از كل جرم كيهان را به صورت ماده اي روشن، به صورت اجرام قابل رويت درآسمان مي بينيم. به راستي براي اين معماي كيهاني چه پاسخي وجود دارد؟ فكر مي كنم در دهه 1940 به بعد براي چند دهه ذهن تمام كيهان شناسان معطوف به موضوعي مجهول بود، كه امروزه آن را ماده تاريك مي دانيم. سير دانستن بشر درباره ماده تاريك از كجا آغاز شد؟ دكتر راهوار: اولين بار در ميان منجمان، زوييكي بود كه كهكشان ها را مطالعه كردند و ديدند كه كهكشان ها آن چيزي كه ما مي بينيم، نيستند با تو جه به جرم آنها، آن حركت را ندارند و سوال اين بود اين حركت را چگونه مي توان توضيح داد. بايد مقداري ماده تاريك در كهكشان باشد تا آن حركت را براساس آنچه كه ما از فيزيك مي شناسيم، به دست بياد و سازگار باشد با قوانيني كه ما مي شناسيم. مي توان خيلي ساده اين موضوع را با يك آزمايش نشان داد. فرض كنيد ما به يك سياره اي رفته ايم كه جرم آن را نمي دانيم. يا اين كه جرم آن با يك روش ديگري اندازه گيري كنيم. مثلا اگر چگالي سياره را بدانيم و بعد شعاع و حجم آن را اندازه گيري كنيم، مي توانيم بفهميم كه جرم آن چقدر است. از طرف ديگر مي توانيم جرم آن را با استفاده از قوانين گرانش اندازه گيري كنيم. مثلا اگر يك سكه را از ارتفاع نيم متري رها كنيم و با يك كرنومتر زمان افتادن آن را اندازه گيري كنيم، مي توانيم شتاب گرانشي آن سياره را به دست بياوريم و به اين ترتيب مي توانيد جرم آن را حساب كنيم. ما معمولا در منظومه شمسي روي ستاره ها مشكلي نداريم. جرمي كه قانون گرانش به ما مي گويد با جرمي كه از روش هاي ديگري مي توانيم تخمين بزنيم اين دو تا با هميشه با هم برابرند. ولي زمانيكه به مقياس ها بزرگتر برويم مثلا در مقياس كهكشاني مي توانيم توزيع ستاره ها را بشماريم و بعد از روي توزيع ستاره ها بفهميم كه جرم منطقه مورد نظر چه قدر است. حالا اگر نگاه كنيم به مركز ستاره ها در حول مركزكهكشان و از روي حركت آنها بخواهيم جرم كل كهشان را حساب كنيم اين دو به اندازه يك مرتبه مقداري كه مي شود ضريب ده با هم تفاوت دارند. جرمي كه از روي مشاهده مستقيم ستاره ها مثلا روي ديسك كهكشان اندازه گيري مي كنيم و جرمي كه از روي قانون گرانش نيوتني حساب مي كنيم، به اندزه يك ضريب ده با هم اختلاف دارند؛ بنابراين سوال اين است كه اين جرمي كه ما نمي بينيم كجاست و چرا اين طور شده است. هر چه قدر به مقياس هاي بزرگتر كهكشاني وارد شويم وضع بدتر مي شود وتفاوت بيشتر مي شود و اين همان چيزي است كه به آن ماده تاريك مي گوييم. چند جهت براي حل اين مسئله وجود دارد. اولين چيز اين است كه مثلا زماني ما به يك كهكشان نگاه مي كنيم، ساختار اين كهكشان يك هسته است كه عمدتا ستاره ها پيرند، بعد ديسك كهكشاني است و مولفه سوم ماده گم شده يا ماده تاريك است كه مي تواند اين ديناميك را به ما بدهد. اولين سوال اين است توزيع و جرم اين ماده بايد چگونه باشد. اگر بخواهيم كه رفتار كهكشان منطبق باشد با آن چه ما از گرانش نتيجه مي گيريم، بايد هاله بسيار يزرگتر از آن چه كه با چشم ديده مي شود، حول يك كهكشان قرار دهيم. مثلا اندازه شعاع يك كهكشان حدود ده كيلو پارسك و اندازه هاله حدود پنجاه تا شصت كيلو پارسك است. مثلا در نگاه به كهكشان مارپيچ براي اين كه حركت اين كهكشان با محاسبات گرانش منطبق باشد، ده برابر جرم روشن كهكشان بايد حول اين كهكشان را فرا بگيرد و آن را بپوشاند. مجري: ماده تاريك كه جرمي به اين وسعت را مي پوشاند چيست؟ راهوار: كساني كه در فيزيك ذرات بنيادي كار مي كنند معتقدند كه در مدل استاندارد ذرات بنيادي علاوه بر ذراتي كه ما به طور متعارف مي شناسيم، مثلا همين ذارتي كه در اطراف ما هستند مثل الكترون و نوترون و فوتون ها، يك سري ذرات ديگر هم وجود دارند به نام "ذرات با اندر كنش ضعيف و با جرم زياد"(vimp ). ممكن است كه هاله كهكشان را همين ذرات درست كرده باشند و اين ذرات بدون برهم كنش هستند يعني از كنار هم رد مي شوند بدون اين كه هيچ واكنشي اتفاق بيافتد. مي توان اين ذرات راآشكار كرد اما اين كار بسيار سخت خواهد بود و كل ماده تاريك و هاله كهكشان از اين ها تشكيل شده است. نظر ديگري هست كه مي گويد اين هاله كهكشان از ستاره هايي تشكيل شده است كه جرم لازم براي روشن شدن ندارند. زيرا هر ساختاري كه متراكم شود منجر به يك ستاره نخواهد شد و جرم آن بايد از يك آستانه اي بيشتر شود. هر ستاره هر گاه جرمي بيشتر از يك دهم جرم خورشيد داشته باشد شروع مي كند به شعله ور شدن و نور دادن. پس بنابراين در هاله كهكشان مي تواند ستاره هايي باشد كه جرم آنها كم است. معمولا در مركز كهكشان ستاره هاي پر جرم درست مي شوند و هر چه قدر به طرف هاله بياييم ستاره ها كم جرم تر مي شوند و مي توان به اين ستاره ها عنوان ستاره هاي نارس اطلاق كرد. اين ستاره هاي نارس مي توانستند كانديد خوبي براي ماده تاريك باشند. منتهي اين نظريه رد شد؛ به دليل آزمايش ريز همگرايي گرانشي كه انجام شد. در اين آزمايش ابرهاي ماژلاني رصد مي شد و بعد و مشاهده مي شد كه اگر يكي از اين ستاره هاي نارس از مقابل ستاره هاي پر نور رد مي شد نورآن را تقويت مي كرد، به دليل همان همگرايي گرانشي. اين آزمايش سيزده سال متوالي ادامه داشت و در اين مدت ابرهاي ماژلاني رصد مي شدند و در نهايت اين مساله رد شد كه ستاره هاي نارس همان ماده تاريك باشد. مجري: چه گزينه هاي ديگري وجود دارد كه بتواند ماده تاريك و چيستي آن را توصيف كند؟ راهوار: مساله ديگر اين است كه ما بياييم و قوانين گرانش و ديناميك را عوض كنيم و اصلا فكر كنيم كه هيچ ماده تاريكي وجود ندارد. اين قوانيني را طوري عوض كنيم كه در مقياس منظومه شمسي درست كار كند و مقياس كهكشاني بدون نياز به ماده تاريك بتواند دوران ديسك كهكشاني را درست توضيح دهد، حركت نوساني ستاره ها را در ديسك كهكشان به ما درست بگويد و خوشه كهكشاني را درست توضيح بدهد. يعني عوض كردند قانون گرانش و قانون دوم نيوتن و اين يك رهيافت جايگزين و تعميم قانون گرانش است. بنابراين دو راه وجود دارد يكي اين كه بگوييم ممكن است قانون گرانش درست كارنكند و بايد شكل آن را عوض كنيم. راه دوم اين است كه بياييم و قانون دوم نيوتن را عوض كنيم و اين يك رهيافتي است كه از 1985 شروع شده است. اين ها تقريبا تا حدودي درست جواب مي دهد ولي هدف نهايي وضع قانوني است كه بتواند از گستره منظومه شمسي و تا مقياس بزرگتر همه را بدون نياز به ماده تاريك درست جواب بدهد. مجري: همان طور كه مي دانيم نسبيت انيشتين توضيح كامل تر از قانون نيوتن است. آيا اين پيش بييني شما از به هم خوردن يا اصلاح قوانين فرا گير باعث مي شود نسبيت هم تحت تاثير قرار بگيرد؟ راهوار: نه اين كه خود نسبيت ها هم عوض شود بلكه در حقيقت اصول نسبيت عام پا برجا است و اين شكل قانون است كه عوض مي شود. مثلا اگر مي گوييم كه يك جرم معين فضا زمان را به يك ميزان خم مي كند، زماني كه گرانش راتغيير مي دهيم مي گوييم همان مقدار جرم فضا زمان رابيشتر خميده مي كند و خمش بيشتر فضا زمان به معناي گرانش قوي تر است اما در كل اصول موضوعه نسبيت عام عوض نمي شود و فقط قانون گرانش را تعميم مي دهد. اگر گرانش نيوتن را يك حلقه در نظر بگيريد قانون گرانش نسبيت عام يك حلقه بزرگتر است كه در ميدان هاي گرانش ضعيف تبديل مي شود به همان گرانش نيوتني. مجري: آيا در توزيع ماده تاريك در وسعت هاي مختلف هم اختلافي وجود دارد؟ راهوار: مي توان گفت كه ماده تاريك به مقياس وابسته است. اگر شما در منظومه شمسي نگاه كنيد مقدار ماده تاريك به قدري كم است كه مي توان از آن چشم پوشي كرد. زيرا اثر خطاي اندازه گيري بسيار بزرگ تر از اثر اين ماده تاريك است، ولي در كهكشان هاله پنج تا شش برابر از ساختار خود كهكشان بزرگ تر است. . خوشه هاي كهكشاني باز بزرگ تر و بزرگ تر مي شود هر چه قدر ساختار بزرگ تر مي شود هاله اي كه ماده تاريك اين را فرا مي گيرد بزرگ تر خواهد بود. مجري: اين چيزي كه ما از ماده تاريك قلمداد مي كنيم چه بخشي از ماده تاريك ما را تشكيل مي دهد؟ راهوار: طبيعتا قسمت عمده. حال اگر مساله انرژي تاريك را هم به آن اضافه كنيم، تنها فقط يك درصد از دنيا را ما مي بينيم و بقيه آن ديده نمي شود و راه حل آن يا اين است كه بگرديم ببينيم در كجاي فيزيك ماده اي هست كه خيلي سخت ديده مي شود و فرض كنيم ماده تاريك همان ماده است و يا اين كه گرانش و قوانين را عوض كنيم.