ماده تاریک

ماده تاریك ممكن است از چیزهای معمولی مثل جنس سیارات تشكیل شده باشد، ولی سیاراتی مثل زمین به اندازه كافی جرم ندارند، پس ممكن است ژوپیترها تشكیل دهنده ماده تاریك باشند.
اما این نظریه چندین مشكل دارد، اول اینكه ما فرض كرده ایم سیارات فقط در اطراف ستارگان شكل گرفته اند، بنا بر این ستارگان به میزان بسیار كمی جرم آن ها را بالا می برند. با این حساب امگا = ۰.۰۰۵ خواهد بود كه برای تشكیل دادن ۸۸% جرم عالم كافی نیست.
دومین و مهمترین مشكل از تركیب هسته ای مهبانگ (big bang nacleosynthesis) ناشی می شود. در لحظه تولد عالم وقتی مهبانگ رخ داد عالم ماده ای بسیار گرم تشكیل شده از انواع ذرات بود، در حالی كه عالم بزرگ و بزرگتر و به سردی می گرایید ذرات ماده معمول مثل الكترون، نوترون و پروتون ها نیز سرد می شدند و اتمهای مواد موجود در عالم را تشكیل می دادند. غالب این اتمها مربوط به هلیوم و هیدروژن هستند.
BBN یك تئوری موفق است كه نه تنها هیدروژن و هلیوم را به عنوان بیشترین عناصر جهان معرفی می كند بلكه نسبت آنها را نیز به درستی بیان می كند.
اما مسئله ای وجود دارد. مقدار هر ماده ای كه تشكیل می شود به میزان ماده معمول تشكیل دهنده اتم (ماده بارنوییك) بستگی دارد و BBN مقدار این ماده را برای عالم كنونی چیزی در حدود امگا = ۰.۱ پیش بینی می كند.
باید توجه كرد كه این میزان ماده بارنوییك برای مواد قابل مشاهده در عالم ما زیاد است در نتیجه مقداری ماده معمول تاریك (از جمله سیارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما این مواد نمی توانند توجیه كننده سرعت خوشه و منحنی دوران آنها باشند.
● ستارگان تاریك - ژوپیترها، كوتوبه های قهوه ای، كوتوله های سفید
ماده معمول دیگری كه می تواند تشكیل دهنده ماده تاریك باشد ستارگانی هستند كه جرم كافی برای سوختن و درخشان شدن ندارند- كوتوله های قهوه ای - یا ژوپیترها - ژوپیترها كوتوله هایی به مراتب (حدود ۱۰ برابر) سنگین تر هستند و به صورت ستارگان بسیار كوچك و كم نور فعالیت دارند. اما این احتمالات مثل سیارات در مقابل BBN با مشكل مواجه می شوند و باز باریون كافی وجود ندارد. احتمال این نیز می رود كه نظریه BBN اشتباه باشد ولی چون این نظریه تا كنون بسیار موفق بوده است به دنبال انتخاب های دیگری برای ماده تاریك هستیم.
● ماده عجیب
این ماده آنقدر ها هم عجیب نیست فقط ماده ای است كه الكترون، نوترون و پروتون ندارد. بسیاری از چنین ذرات شناخته شده اند و چند مورد از آن ها در حد تئوری هستند تا بتوان مشكل ماده تاریك را حل كرد.
● نوترینو ها
نوترینو ها ذرات بدون جرمی هستند كه وجودشان ثابت شده و لی دلایلی وجود دارد كه نشان داده گاهی اوقات جرم بسیار كوچكی دارند. در عالم مقدار بسیار زیادی از این ذرات وجود دارد، با این حال حتی یك جرم بسیار كوچك تر برای ماده تاریك پر اهمیت است. جرمی به اندازه ۱/۵۰۰۰ جرم الكترون، امگایی به اندازه ۱ بدست می دهد.
● ویمپ ها (WIMPs)
بیشتر انتخاب های ماده عجیت در دسته ویمپ ها Weakly Interaching massive particles قرار می گیرند. ویمپ ها دسته ای از ذرات سنگین هستند كه به سختی با ذرات دیگر واكنش می دهند از این ذرات می توان در تراسنیو ها و آكسیون ها را نام برد.
● اثبات وجود ماده تاریك
▪ جاذبه دلیل وجود ماده تاریك
وجود یك پدیده را از دو روش می توان اثبات كرد:مشاهده مستقیم پدیده یا مشاهده تاثیر آن بر پدیده هایی كه راحت تر مشاهده می شوند.
این مطلب كه در آسمان شب چیزهایی هست كه به راحتی دیده نمی شود و همیشه مورد توجه بوده است. هنگام استفاده از تلسكوپ یا رادیو تلسكوپ فقط اشیایی رصد می شوند كه از خود نور یا امواج رادیویی گسیل می كنند. اما هر پدیده ای این خصوصیات را ندارد حتی سیاره خودمان زمین نیز به علت تاریكی بیش از حد قابل مشاهده نیست.
▪ خوشه های كهكشانی
مقدار قابل توجهی ماده در بررسی خوشه های كهكشانی وجود دارد كه ما نمی توانیم به آسانی آنها را ببینیم. خوشه های كه از تجمع چند صد تا چند هزار كهكشان یا كهكشان های تك در فضا بوجود آمده اند. در دهه ۱۹۳۰، zwicky، Smith، دو خوشه تقریبا نزدیك به هم Coma و Virgo را از لحاظ كهكشان های تشكیل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسی قرار دادند، و سرعتی كه بدست آوردند چیزی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر مقداری بود كه انتظار داشتند.
معنی این چیست؟ در یك گروه از كهكشان ها مثل خوشه تنها نیروی موثر بر كهكشان ها گرانش است و این گرانش اثر كششی كهكشان ها بر یكدیگر است كه باعث بالا رفتن سرعت آنها می شود.
سرعت می تواند مقدار ماده موجود در كهكشان را به دو طریق مشخص كند:
۱) جرم خوشه ها
جرم بیشتر كهكشان باعث می شود نیروی شتاب دهنده به كهكشان نیز بیشتر شود.
۲) شتاب و سرعت خوشه ها
اگر شتاب یك كهكشان خیلی زیاد باشد می تواند از میدان جاذبه خوشه خارج شود. اگر شتاب كهكشان بیش از سرعت فرار باشد، خوشه را ترك خواهد كرد.
به این ترتیب همه كهكشان ها سرعتی پایین تر از سرعت فرار (گریز) خواهند داشت. و با این نگرش می توان جرم كل خوشه را حدس زد كه مقدار قابل توجهی از میزان مشاهده شده است. با این حال این نظریه به علت اینكه مبنی بر مشاهده بود و مشاهدات غالبا با اشتباه همراهند مدت طولانی مورد توجه قرار نگرفت.
هنگامی كه چیزی به وسعت یك خوشه كهكشانی نگاه می كنید با اینكه ممكن است سرعت ها زیاد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چیزی به حساب نمی آیند پس مشاهده مداوم یك خوشه در طی چندین سال تصویر یكسانی از آن بدست می دهد. ما نمی توانیم كهكشان هایی را كه بدون الگو حركت می كنند با دقت ببینیم. پس یك كهكشان با سرعت زیاد ممكن است از خوشه جدا شده باشد یا اصلا متعلق به خوشه نباشد. حتی ممكن است بعضی از كهكشان ها فقط مقابل كهكشان های دیگر در راستای خط دید آنها باشند. با این حساب این كهكشان گمراه كننده خواهد بود.
● منحنی حركت انتقالی كهكشان ها
دلایل قابل اعتماد تری در دهه ۱۹۷۰ در پی اندازه گیری منحنی های دوران كهكشان ها ارایه شد. علت قابل اعتماد تر بودن آنها این است كه اطلاعات موثق تری در مورد تعداد یشتری كهكشان دست می دهند.
از گذشته می دانستیم كه كهكشان ها حول مركز شان دوران دارند درست شبیه به چرخش سیارات به دور خورشید و مانند سیارات از قوانین كپلر پیروی می كنند. این قوانین می گویند سرعت چرخشی حول یك مركز فقط به فاصله از مركز و جرم موجود در مدار بستگی دارد.
پس با پیدا كردن سرعت چرخش یك كهكشان می توانیم جرم موجود در كهكشان را محاسبه كنیم. همان طور كه در كناره های كهكشان میزان نور به سرعت كم می شود انتظار می رود سرعت چرخش نیز پایین بیاید ولی این اتفاق نمی افتد و سرعت در همان میزانی كه محاسبه شده بود ثابت می ماند و این مطلب آشكارا نشان می دهد در كناره های كهكشان جرمی وجود دارد كه ما نمی بینیم. این آزمایش در مورد چندین كهكشان حلزونی - از جمله كهكشان راه شیری خودمان - انجام شده و هر بار به همین نتیجه رسیده است. و این محكمترین و بهترین اثبات برای وجود ماده تاریك است
● میزان وجود ماده تاریك
▪ چه میزان ماده تاریك وجود دارد؟
كیهان شناسان میزان موجود در عالم را با پارامتری به نام امگا مورد بحث قرار می دهند. در یك عالم بسته یعنی عالمی كه جرم آن در حدی است كه عاقبت در خود فرو می ریزد امگا بیش از ۱ تعریف می شود. در یك عالم باز یعنی عالمی كه تا ابد اجزای آن در حال دور شدن از یكدیگر هستند امگا كمتر از ۱ است و یك عالم مسطح به طور ایده آل امگایی برابر ۱ خواهد داشت.
میزان ماده قابل مشاهده موجود در عالم در حدود ۰.۰۵ = امگا است و به هیچ وجه بیش از آن نمی باشند. نظریه پردازان مایلند امگای عالم را چیزی ۱ در حدود در نظر بگیرند به آن معنی كه ماده تاریك ۰.۹۵ = امگا یا ۹۵% عالم را تشكیل داده است.
اما در صورتی كه واقع بینانه تر نگاه كنیم می بینیم كه دانشمندان دلیلی برای بیشتر بودن اندازه امگا از ۰.۴ ندارند با این حساب میزان ماده تاریك ۰.۳۵ امگا خواهد بود كه ۸۸% جرم عالم است.
می بینیم كه ۸۸% عالممان كاملا ناشناخته است

منبع : پایگاه صنعت و فن آوری هوافضا