سویِ تاریک عالم

با کشف بوزون هیگز ممکن است وسوسه شویم و فکر کنیم که درنهایت تصویری کلی از جهان مادی به دست آورده‌ایم. تصویری که ما را احاطه کرده و تمام راز و رمزهای فیزیک ذرات حل ‌شده است. خب این خیلی بعید بوده و کاملا برعکس است. می‌دانیم که مدل نظری اخیر، مدل استاندارد، تنها حدود پنج درصد از کل محتوای عالم را توضیح می‌دهد. بعضی از شما ممکن است پیش‌تر درباره ماده تاریک چیزهایی شنیده باشید؛ نوع اسرارآمیزی از ماده که دیده نمی‌شود، اما 27 درصد از کل عالم را تشکیل داده است. ذره قابل‌رؤیت - شما، من و هر چیزی که روی زمین، ستاره‌ها و کهکشان‌ها می‌توان دید- پنج درصد از کل عالم را تشکیل داده است. چطور می‌فهمیم که این ماده تاریک واقعا وجود دارد؟ شواهد و نشانه‌های وجود ماده تاریک را در زیر توضیح می‌دهم. قبل از صحبت درباره ماده تاریک، باید چند کلمه‌ای درمورد انرژی تاریک صحبت کنم، زیرا 68 درصد از کل محتوای عالم را تشکیل می‌دهد؛ اما این بخش مختصر خواهد بود، زیرا زیاد شناخته‌شده نیست. در سال 1998، دو گروه تحقیقاتی مستقل، یکی به رهبری سول پرلموتر و دیگری به رهبری اَدام رایس و برایان اشمیت، سرعت دورشدن کهکشان‌ها را از یکدیگر اندازه‌گیری کردند. هر دو گروه نه‌تنها انبساط عالم، بلکه سرعت این انبساط را مشاهده کردند. این کشف باعث شد آنها جایزه نوبل فیزیک را در سال 2011 از آن خود کنند. همان‌طورکه همه شما می‌دانید برای سرعت‌دادن، چه درمورد دوچرخه و چه درمورد ماشین، به انرژی نیاز است؛ بنابراین انرژی خارق‌العاده‌ای که باعث سرعت‌بخشیدن به انبساط عالم می‌شود، از کجا می‌آید؟ کسی نمی‌داند. علاوه بر این، انرژی تاریک ماهیتی کاملا ناشناخته است. به‌خاطر هماهنگی با ماده تاریک آن را انرژی تاریک نامیده‌اند. در قسمت بعدی می‌بینیم که چطور دانشمندان پلانک -یک آزمایشگاه ماهواره‌ای که با آژانس فضایی اروپایی پرتاب شد- فهمیدند 68 درصد از محتوای عالم انرژی تاریک است.

ماده تاریک: نامرئی اما همه‌جا حاضر فریتز زوئیکی، اخترشناس سوئیسی، اولین کسی بود که وجود ماده تاریک را در سال 1933 کشف کرد. او می‌خواست جرم خوشه کهکشانی -گروهی متشکل از صد کهکشان که توسط نیروی گرانشی به هم متصل شده‌اند- را با استفاده از دو روش مختلف اندازه‌گیری کند. او ابتدا جرم را از سرعت چرخشی کهکشان‌های درون خوشه تخمین زد. درست مانند کودکانی که چرخ و فلک بازی می‌کنند و برای اینکه پرتاب نشوند باید به آن بچسبند، کهکشان‌ها در یک خوشه کهکشانی در حال چرخش به نیرویی نیاز دارند که آنها را با یکدیگر نگه دارد. در این مورد خاص، این نیرو از نیروی گرانش می‌آید و با ماده‌ای تأمین می‌شود که در خوشه کهکشانی وجود دارد. برای نگه‌داشتن آنها با یکدیگر، باید ماده به اندازه کافی باشد تا نیروی گرانشی لازم را تولید کند، در غیر این صورت کهکشان‌ها پراکنده خواهند شد. سپس زوئیکی محاسبات خود را با روش دوم تأیید کرد. این‌بار او جرم کلی خوشه کهکشانی را از نور ساطع‌شده توسط این کهکشان‌ها تخمین زد. مقدار نور ساطع‌شده بستگی به محتویات کهکشان دارد؛ بنابراین این روش برآورد تقریبی از مقدار ماده موجود در خوشه کهکشانی را ارائه می‌دهد. او متوجه شد که نتایج اصلا با هم توازن ندارند. مقدار ماده قابل‌مشاهده برای تولید نیروی گرانشی لازم جهت حفظ انسجام خوشه کهکشانی کافی نبود. ازاین‌رو او از این مشاهده نتیجه گرفت که نوع جدید و ناشناخته ماده باید بدون انتشار هر نوری میدان گرانشی تولید کند و بنابراین نام ماده تاریک برگرفته از اسم آلمانی dunkle Materie بر آن نهاده شد. کهکشان‌های چرخان متأسفانه محاسبات زوئیکی دقیق نبود. در دهه 1970 وِرا روبین، اخترشناس آمریکایی، برای متقاعد‌کردن جامعه علمی، سرعت چرخش ستارگان را درون یک کهکشان مارپیچی با دقت کافی اندازه‌گیری کرد. کهکشان مارپیچی، کهکشانی است که با سرعت بالا دوران می‌کند. روبین مشاهده کرد که ستارگان در چنین کهکشانی با سرعت کم‌وبیش یکسان حرکت می‌کنند و مهم نیست که در چه فاصله‌ای از مرکز کهکشان قرار دارند؛ اما مسئله با قانون کپلر که گردش ستاره را به دور مرکز کهکشان توضیح می‌دهد، تضاد دارد. هرچه ستاره از مرکز کهکشانِ خود دورتر باشد، آهسته‌تر به دور آن می‌گردد، اما ورا روبین در عوض متوجه شد ستارگان در کهکشان‌های مارپیچی طور دیگری رفتار می‌کنند. این‌گونه به نظر می‌رسد که گویا ستاره‌های دوردست 10 برابر بیشتر از آنچه دیده می‌شوند به دور کهکشان می‌چرخند. این مسئله می‌توانست فقط زمانی رخ دهد که مقادیر زیادی از ذره غیرقابل مشاهده که کهکشان را پرکرده است، حتی فراتر از دورترین اجرام قابل‌رؤیت، گسترش ‌یافته باشند، ازاین‌رو او اولین کسی بود که به‌صورت کمی، وجود ماده تاریک را ثابت کرد. از آن زمان تا به امروز شواهد دیگری هم گردآوری شدند. عدسی‌های گرانشی عالم دارای مقدار قابل‌توجهی از نوعی ماده ناشناخته‌ای است که ماده تاریک نام دارد. آیا می‌توان وجود آن را با روشی ملموس‌تر از تخمین سرعت گردش ستارگان در کهکشان‌های مارپیچی آشکارسازی کرد؟ بله با عدسی‌های گرانشی- یکی از عالی‌ترین روش‌ها برای آشکارسازی ماده تاریک- می‌توان ماده تاریک را آشکارسازی کرد. عدسی‌های گرانشی براساس این اصل کار می‌کنند که مقادیر زیادی از ماده -هم ذره قابل‌مشاهده و هم ماده تاریک- میدان‌های گرانشی قدرتمندی تولید می‌کنند. در عوض این میدان‌ها فضای اطراف خودشان را تغییر شکل می‌دهند و مسیرهای نور را اصلاح می‌کنند. تصور کنید که دو نفر دو سر یک روتختی را گرفته‌اند و شخص دیگری یک توپ پینگ‌پنگ را روی آن می‌اندازد. توپ در خط مستقیمی حرکت خواهد کرد و به‌سادگی سطح روتختی را دنبال می‌کند، اما فرض کنید که شخصی جسم سنگین‌تری مانند توپ بیلیارد را وسط روتختی بیندازد؛ آن‌گاه توپ پینگ‌پنگ مسیری منحنی‌ را ترسیم خواهد کرد که روی سطح تغییرشکل‌داده روتختی ایجاد شده است. نور مانند توپ پینگ‌پنگ رفتار می‌کند. باید انحنای فضایی را دنبال کند که در آن منتشر می‌شود. فضایی خالی که هیچ ماده‌ای درون آن نیست و مانند لایه محکمی از روتختی است. در این حالت، نور در خط مستقیم حرکت می‌کند، اما اجرام بزرگ‌تر از قبیل ستارگان، کهکشان‌ها و حباب یا گلوله بزرگی از ماده تاریک، همگی میدان جاذبه قدرتمندی تولید می‌کنند. فضای اطراف این اجرام سنگین/ پرجرم در [ساختار] فضا تغییر شکل ایجاد کرده و نور در این فضای تغییرشکل‌یافته طیِ مسیر می‌کند. این همان اتفاقی است که زمان عبور از نزدیکی خورشید رخ می‌دهد. نور کمی منحرف می‌شود. ناظر در حال مشاهده نور یک ستاره که در پشت خورشید قرار گرفته، فکر می‌کند که این نور از شیء دیگری در مکان دیگری ساطع‌ شده است.