Home / مقالات علمی / کیهان / کیهان‌شناسی / داستان کشف ماده‌ی تاریک 5
داستان کشف ماده‌ی تاریک 5

داستان کشف ماده‌ی تاریک 5

گردآوری و ترجمه: آرش آریامنش

 

ماده تاریک نقش بسیار اساسی در رشد بذرهای اولیه و تشکیل ساختار اولیه کیهان دارد. به گونه‌ای که بدون ان کهکشان‌های امروزی نبودند. در کیهان اولیه جرم کاملن همگن از گازهای هیدروژن و هلیوم بود. برای شکل گیری ساختارها باید گازهای برخی مناطق در مقایسه با سایر قسمت‌ها متراکم و چگال‌تر شوند. چگالی میانگین درون یک کهکشان تقریبا 1 میلیون برابر بیشتر از چگالی میانگین کیهان است. در نتیجه برای تشکیل کهکشان‌ها و نواحی باید از گاز متراکم شود به گونه ای که چگالی باید بیشتر از چگالی زمینه گازی شود.

 

چه عاملی باعث چگالش گاز در برخی نواحی شد ؟

پاسخ گرانش است. این نیرو می‌تواند باعث رشد غیر یکنواخت چگالی در محیط گازی گردد. فرض کنید افت و خیزهای کوانتومی در اثر نوسانات کوانتومی در محیط کاملا یکنواخت اولیه بوجود آید. با گذشت زمان نیروی گرانش باعث رشد این افت و خیزها ی کوچک شده بگونه‌ای که بعد از مدتی برخی از نواحی چگال‌تر از نواحی مجاور خود می‌شدند. نواحی با چگالی بیشتر دارای گرانش بیشتری شده و باعث جذب ماده بیشتر میشود به این فرآیند “ناپایداری گرانشی” گویند.

در واقع کلید ساختارهای امروزی حاصل از افت و خیزهای کوانتومی در ابتدای کیهان بوده است .
نحوه شکل گیری افت و خیزهای کوانتومی و چگال در کیهان اولیه چه بوده ؟
در واقع کیهان اولیه شامل پرتون نوترون و الکترون تابش و مقداری زیادی ماده تاریک بوده است . تقریبا الان میدانیم ماده تاریک 10-100 برابر ماده مرئی و نوکلئونهاست .

قبل از تشکیل اتمهای خنثی , الکترونها پروتونها به طور مستمر فوتونها را جذب می‌کردند و نشر می‌دادند و بهمین دلیل نوسانات چگالی در ماده معمولی باعث افت و خیزهایی در چگالی فوتون‌ها می‌شود. یعنی نواحی که چگال‌تر است؛ فوتون بیشتری جذ و گسیل می‌کند و ماده با تابش برهمکنش بیشتری دارد.

از آن‌جا که فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند پس در هیچ مقیاسی تراکمی از انرژی تابشی نداریم. با توجه به اینکه ماده معمولی و تابش خیلی با هم جفت شدند به نظر می‌رسد تراکم ماده معمولی نخواهیم داشت. نتیجه اینکه با جفت شدن تابش و ماده، افت و خیزهای چگالی نمی‌تواند رشد کند… پس ساختارهایی مثل کهکشان‌ها نمی‌توانند از ماده معمولی به تنهایی شکل بگیرند. اینجاست که کلی ماجرا در دست ماده تاریک است. چگونه ؟

در کیهان اولیه افت و خیزهای چگالی در ماده معمولی و تاریک وجود داشته است. چون تابش فقط با ماده معمولی جفت شده است با انبساط کیهان افت و خیزهای چگالی ماده تاریک متناسب با انبساط کیهان رشد خواهد کرد در حالیکه افت و خیزهای چگالی ماده تاریک هیچ… اما ماده معمولی اندکی رشد می‌کند. بعد از آنکه اتم‌های خنثی شکل گرفتند و ماده معمولی از تابش جدا شد اثرات گرانشی ماده تاریک وارد عمل می‌شود و باعث رشد افت و خیزهای چگالی ماده می‌شدند. بدین ترتیتب افت و خیزهای چگالی در ماده معمولی و تاریک رشد و تا نهایتا ساختارهایی مثل کهکشان‌ها شکل بگیرند.

می‌دانیم ذرات ماده تاریک بار الکتریکی ندارند از خودشان تابشی گسیل نمی‌دهند و برهمکنشی ندارند. پس توده‌ای از ماده تاریک که در کنار هم قرار گیرد نمی‌تواند انرژی از دست بدهد در نتیجه اندازه اش تغیری نمی‌کند؛ اما این هاله باعث جذب ذرات اطراف خود می‌شود چرا که ذرات ماده معمولی در نیروی گرانش ماده تاریک به دام میافتد.

ماده معمولی در چاه پتانسیل ماده تاریک گرفتار میگردد و چون ماده معمولی با تابش برهمکنش دارد پس علت نشر تابش سرد شده گاز نیز سرد میشود و دما و انرژی جنبشی کاهش میابد.

به سمت پایین‌ترین نقطه چاه پتانسیل ماده تاریک حرکت می‌کند اینگونه ماده معمولی در مرکز هاله ماده تاریک شکل می‌گیرد.

این تصویر با شواهد تجربی که امروز از توزیع ماده تاریک در اطراف کهکشان‌هاست کاملن سازگاری دارد.

 

اما انرژی تاریک چیست ؟

می‌دانیم در دهه 20 میلادی ادوین هابل کشف کرد کهکشانهای دیگری هستند که در حال دور شدن از ما هستند. تاقبل از آن همه فکر می‌کردیم که عالم ما تنها راه‌شیری و ایستا می‌باشد. حتی برای اثبات آن انیشتین یک ثابت کیهان‌شناسی وارد معادله‌اش کرد. بعدها به انبساط کیهان پی بردیم. تا سال 1998 همه فکر میکردیم به علت گرانش و با توجه به نسبیت عام سرعت انبساط کیهان در حال کاهش است.

اما انقلابی دیگر در ایده و نظر ما باعث شد بفهمیم انبساط کیهان شتابدار است یعنی عاملی ناشناخته “انرژی تاریک” بر خلاف گرانش در حال عمل کردن است.

گروه پروژه ابر نواختری کیهانی به مدت ده سال از سال 1988-1998 به بررسی ابرنواخترها پرداختند. گروه دوم تیم ابرنواخترهایی با انتقال سرخ بالا نیز مطالعاتی داشتند. با تعیین فاصله ابرنواخترها و سرعت دور شدن آن‌ها از هم دانشمندان امیدوار بودند سرنوشت کیهان را بیان کنند. نظریه نسبیت عام که در سال 1916 توسط انیشتین مطرح شد می‌گفت جهان ما در حال انبساط است و این پیشگویی یک دهه قبل از مشاهدات و ااثبات هابل اتفاق افتاد ولی خود انیشتین معتقد بود جهان ایستا است.

او بر این باور بود هندسه فضا زمان باید به وسیله محتوی ماده و انرژی موجود در ان تعیین شود. اما از آن‌جایی که ماده و انرژی به وسیله گرانش حرکت می‌کردند آن‌ها باعث فروپاشی جهان در خود می‌شوند. برای همین انیشتین برای مقابله با این مساله یک ثابت کیهانی برای تعادل به معادله‌اش اضافه کرد.

بعد از اثبات انبساط کیهان انیشتین این کار را بزرگترین اشتباه زندگیش نامید. اما با این حال این ثابت کیهانی در اواخر قرن 20 برای توضیح انبساط شتاب دار کیهان بازگشت. نه تنها اشتباه نبود بلکه شاهکار علمی بود؛ که 80 سال پس از آن که وارد معادله شد به ارزش آن پی بردیم.

در واقع ساده‌ترین و اولین پیشنهاد برای انرژی تاریک همین ثابت کیهان‌شناسی انیشتین بود؛ که به این دلیل به این نام معروف است که چگالی انرژی‌اش در فضا زمان ثابت است. انرژی تاریک زمانی بر کیهان حاکم می‌شود که ماده و گرانش انبساط چند میلیارد سال رقیق می‌شوند.
برای همین ثابت کیهان‌شناسی آن‌قدر دیر یعنی بین 5-6 میلیارد سال پیش در کیهان غالب گرفت. در آن زمان نیروی گرانش ماده در مقایسه با انرژی تاریک به اندازه کافی ضعیف شده بود اما تا پیش از آن روندِ انبساط کیهان کند‌شونده بود.

ثابت کیهان‌شناسی می‌تواند ریشه در انرژیِ خلا داشته باشد. فضای خالی طبق قوانین مکانیک کوانتوم هرگز نمی‌تواند خالی باشد؛ بلکه سوپ جوشانی از ذرات مجازی ماده و ضد ماده است(که پیوسته تشکیل و از بین می‌روند) و نوساناتی در انرژی خلا ایجاد می‌کنند.
انرژی وابسته به ثابت کیهان شناسی همان انرژی نقطه صفر میدان کوانتومی است. خلاءِ میدان کوانتومی دارای یک انرژی بسیار ریز از مرتبه ثابت پلانک ضربدر فرکانس زاویه‌ای آن میدان کوانتومی است.

با مجموع یابی روی همه فرکانس‌ها می‌توان انرژی کل خلا میدان کوانتومی را بدست آورد.

 

ثابت کیهان شناسی به عنوان کاندیدای انرژی تاریک دارای دو شکل اساسی است :

اول اینکه مشکل “میزان سازی دقیق” دارد یعنی که مقدار نظری چگالی انرژی وابسته به ثابت کیهان شناسی حدود 10به توان 121 مرتبه بزرگتر از مقدار تجربی مشاهده شده برای چگالی انرژی تاریک موجود در کیهان است.

تا قبل از 1998 همه فکر می‌کردند ثابت کیهان‌شناسی انیشتین برابر 0 است. مشکل ثابت کیهان شناسی بعنوان انرژی تاریک نه تنها اینست که مقدارش با مقیاس های همه انرژی‌های بنیادین در تناقض است. پس نیاز به میزان سازی دقیق دارد بلکه این مقدار ویژه تقریبا یکسان با چگالی انرژی ماده موجود در کیهان است. یعنی انقباض تقریبی بین انرژی های ماده و خلا در جهان‌های امروزی.

در اوایل کیهان انرژی تاریک نزدیک به صفر بود و در زمان های بعدی کیهان را در بر گرفت. سوال مهم این است چرا انبساط شتاب دار کیهان در اوایل کیهان رخ نداده بود ؟

مهمترین مشکل ثابت کیهان شناسی بای عامل “انرژی تاریک” اینست که چگالی انرژی تاریک مورد نیاز برای انبساط شتاب دار کیهان تفاوت بسیار زیادی دارد. برای همین کیهان‌شناسان به دنبال کاندیدای دیگری هستند.

یکی از مشهورترین کاندیدای انرژی تاریک “میدان های ذره ای” است. بر طبق این نظریه سرتاسر کیهان میدان های ذره ای موجود است که باعث انبساط شتاب دار کیهان شده است .

کاندیدای دیگر جهان هولوگرافیک است. این نظریه می‌گوید که اطلاعاتِ درون یک سیستم سه بعدی را می‌توان روی یک سطح دو بعدی ذخیره کرد. در این نظریه فرض شده که منشا انرژی تاریک در واقع انرژی خلا در کیهان است و که روی سطح دو بعدی که مرز جهان را تشکیل می‌دهد ذخیره شده است.

کاندیدهای دیگری البته هستند ولی بیش از آن پیش نمی‌رویم. فقط باید اضافه کرد که برخی تئوری‌های جدید هستند که می‌گویند منشا گرانش حاصل از یک دنیای موازی باعث ایجاد یک انرژی خلا شده است. انرژی تاریک 70 درصد کیهان ما را در بر گرفته است و از 5-6 میلیارد سال پیش یا شایدم بیشتر تاثیراتش را روی کیهان شروع کرد .

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

Scroll To Top