كيهان شناسي كه علم مطالعه آغاز، شكل گيري و تكامل عالم است هنوز نمي داند 99% عالم را چه چيز تشكيل داده است. به نظر مي رسد جز غير قابل مشاهده اي قسمت اعظم عالم را تشكيل داده است كه قابل شناسايي نيست.اين ماده واقعا چيست؟ چگونه آن را بشناسيم؟
اثبات وجود ماده تاريك:
جاذبه دليل وجود ماده تاريك.
وجود يك پديده را از دو روش مي توان اثبات كرد: مشاهده مستقيم پديده يا مشاهده تاثير آن بر پديده هايي كه راحت تر مشاهده مي شوند.اين مطلب كه در آسمان شب چيزهايي هست كه به راحتي ديده نمي شود و هميشه مورد توجه بوده است. هنگام استفاده از تلسكوپ يا راديو تلسكوپ فقط اشيايي رصد مي شوند كه از خود نور يا امواج راديويي ساتع مي كنند. اما هر پديده اي اين خصوصيات را ندارد حتي سياره خودمان زمين نيز به علت تاريكي بيش از حد قابل مشاهده نيست.
مقدار قابل توجهي ماده در بررسي خوشه هاي كهكشاني وجود دارد كه ما نمي توانيم به آساني آنها را ببينيم. خوشه هاي كه از تجمع چند صد تا چند هزار كهكشان يا كهكشان هاي تك در فضا بوجود آمده اند. در دهه 1930، zwicky، Smith، دو خوشه تقريبا نزديك به هم Coma و Virgo را از لحاط كهكشان هاي تشكيل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسي قرار دادند، و سرعتي كه بدست آوردند چيزي بين 10 تا 100 برابر مقداري بود كه انتظار داشتند.
معني اين چيست؟ در يك گروه از كهكشان ها مثل خوشه تنها نيروي موثر بر كهكشان ها گرانش است و اين گرانش اثر كششي كهكشان ها بر يكديگر است كه باعث بالا رفتن سرعت آنها مي شود.
سرعت مي تواند مقدار ماده موجود در كهكشان را به دو طريق مشخص كند:
1- جرم بيشتر كهكشان باعث مي شود نيروي شتاب دهنده به كهكشان نيز بيشتر شود.
2- اگر شتاب يك كهكشان خيلي زياد باشد مي تواند از ميدان جاذبه خوشه خارج شود. اگر شتاب كهكشان بيش از سرعت فرار باشد، خوشه را ترك خواهد كرد.
به اين ترتيب همه كهكشان ها سرعتي پايين تر از سرعت فرار (گريز) خواهند داشت. و با اين نگرش مي توان جرم كل خوشه را حدس زد كه مقدار قابل توجهي از ميزان مشاهده شده است. با اين حال اين نظريه به علت اينكه مبني بر مشاهده بود و مشاهدات غالبا با اشتباه همراهند مدت طولاني مورد توجه قرار نگرفت.
هنگامي كه چيزي به وسعت يك خوشه كهكشاني نگاه مي كنيد با اينكه ممكن است سرعت ها زياد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چيزي به حساب نمي آيند پس مشاهده مداوم يك خوشه در طي چندين سال تصوير يكساني از آن بدست مي دهد. ما نمي توانيم كهكشان هايي را كه بدون الگو حركت مي كنند با دقت ببينيم. پس يك كهكشان با سرعت زياد ممكن است از خوشه جدا شده باشد يا اصلا متعلق به خوشه نباشد. حتي ممكن است بعضي از كهكشان ها فقط مقابل كهكشان هاي ديگر در راستاي خط ديد آنها باشند. با اين حساب اين كهكشان گمراه كننده خواهد بود.
دلايل قابل اعتماد تري در دهه 1970 در پي اندازه گيري منحني هاي دوران كهكشان ها ارايه شد. علت قابل اعتماد تر بودن آنها اين است كه اطلاعات موثق تري در مورد تعداد يشتري كهكشان دست مي دهند.
از گذشته مي دانستيم كه كهكشان ها حول مركز شان دوران دارند درست شبيه به چرخش سيارات به دور خورشيد و مانند سيارات از قوانين كپلر پيروي مي كنند. اين قوانين مي گويند سرعت چرخشي حول يك مركز فقط به فاصله از مركز و جرم موجود در مدار بستگي دارد.
پس با پيدا كردن سرعت چرخش يك كهكشان مي توانيم جرم موجود در كهكشان را محاسبه كنيم. همان طور كه در كناره هاي كهكشان ميزان نور به سرعت كم مي شود انتظار مي رود سرعت چرخش نيز پايين بيايد ولي اين اتفاق نمي افتد و سرعت در همان ميزاني كه محاسبه شده بود ثابت مي ماند و اين مطلب آشكارا نشان مي دهد در كناره هاي كهكشان جرمي وجود دارد كه ما نمي بينيم. اين آزمايش در مورد چندين كهكشان حلزوني - از جمله كهكشان راه شيري خودمان - انجام شده و هر بار به همين نتيجه رسيده است. و اين محكمترين و بهترين اثبات براي وجود ماده تاريك است.
كيهان شناسان ميزان موجود در عالم را با پارامتري به نام امگا مورد بحث قرار مي دهند. در يك عالم بسته يعني عالمي كه جرم آن در حدي است كه عاقبت در خود فرو مي ريزد امگا بيش از 1 تعريف مي شود. در يك عالم باز يعني عالمي كه تا ابد اجزاي آن در حال دور شدن از يكديگر هستند امگا كمتر از 1 است و يك عالم مسطح به طور ايده آل امگايي برابر 1 خواهد داشت.
ميزان ماده قابل مشاهده موجود در عالم در حدود 0.05 = امگا است و به هيچ وجه بيش از آن نمي باشند. نظريه پردازان مايلند امگاي عالم را چيزي 1 در حدود در نظر بگيرند به آن معني كه ماده تاريك 0.95 = امگا يا 95% عالم را تشكيل داده است.
اما در صورتي كه واقع بينانه تر نگاه كنيم مي بينيم كه دانشمندان دليلي براي بيشتر بودن اندازه امگا از 0.4 ندارند با اين حساب ميزان ماده تاريك 0.35 امگا خواهد بود كه 88% جرم عالم است.
مي بينيم كه 88% عالممان كاملا ناشناخته است!
حدس و گمان هاي زيادي در باره جنس ماده تاريك وجود دارد.
ماده معمول
- سيارات.
ماده تاريك ممكن است از چيزهاي معمولي مثل جنس سيارات تشكيل شده باشد، ولي سياراتي مثل زمين به اندازه كافي جرم ندارند، پس ممكن است ژوپيترها تشكيل دهنده ماده تاريك باشند.
اما اين نظريه چندين مشكل دارد، اول اينكه ما فرض كرده ايم سيارات فقط در اطراف ستارگان شكل گرفته اند، بنا بر اين ستارگان به ميزان بسيار كمي جرم آن ها را بالا مي برند. با اين حساب امگا = 0.005 خواهد بود كه براي تشكيل دادن 88% جرم عالم كافي نيست.
دومين و مهمترين مشكل از تركيب هسته اي مهبانگ (big bang nacleosynthesis) ناشي مي شود. در لحظه تولد عالم وقتي مهبانگ رخ داد عالم ماده اي بسيار گرم تشكيل شده از انواع ذرات بود، در حالي كه عالم بزرك و بزرگتر و به سردي مي گراييد ذرات ماده معمول مثل الكترون، نوترون و پروتون ها نيز سرد مي شدند و اتمهاي مواد موجود در عالم را تشكيل مي دادند. غالب اين اتمها مربوط به هليوم و هيدروژن هستند.
BBN يك تئوري موفق است كه نه تنها هيدروژن و هليوم را به عنوان بيشترين عناصر جهان معرفي مي كند بلكه نسبت آنها را نيز به درستي بيان مي كند.
اما مسئله اي وجود دارد. مقدار هر ماده اي كه تشكيل مي شود به ميزان ماده معمول تشكيل دهنده اتم (ماده بارنوييك) بستگي دارد و BBNمقدار اين ماده را براي عالم كنوني چيزي در حدود امگا = 0.1 پيش بيني مي كند.
بايد توجه كرد كه اين ميزان ماده بارنوييك براي مواد قابل مشاهده در عالم ما زياد است در نتيجه مقداري ماده معمول تاريك (از جمله سيارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما اين مواد نمي توانند توجيه كننده سرعت خوشه و منحني دوران آنها باشند.
ماده معمول ديگري كه مي تواند تشكيل دهنده ماده تاريك باشد ستارگاني هستند كه جرم كافي براي سوختن و درخشان شدن ندارند- كوتوله هاي قهوه اي - يا ژوپيترها - ژوپيترها كوتوله هايي به مراتب (حدود 10 برابر) سنگين تر هستند و به صورت ستارگان بسيار كوچك و كم نور فعاليت دارند. اما اين احتمالات مثل سيارات در مقابل BBN با مشكل مواجه مي شوند و باز باريون كافي وجود ندارد. احتمال اين نيز مي رود كه نظريه BBNاشتباه باشد ولي چون اين نظريه تا كنون بسيار موفق بوده است به دنبال انتخاب هاي ديگري براي ماده تاريك هستيم.
ماده عجيب.
اين ماده آنقدر ها هم عجيب نيست فقط ماده اي است كه الكترون، نوترون و پروتون ندارد. بسياري از چنين ذرات شناخته شده اند و چند مورد از آن ها در حد تئوري هستند تا بتوان مشكل ماده تاريك را حل كرد.
> نوترينوها:
نوترينوها ذرات بدون جرمي هستند كه وجودشان ثابت شده و لي دلايلي وجود دارد كه نشان داده گاهي اوقات جرم بسيار كوچكي دارند. در عالم مقدار بسيار زيادي از اين ذرات وجود دارد، با اين حال حتي يك جرم بسيار كوچك تر براي ماده تاريك پر اهميت است. جرمي به اندازه 5000/1 جرم الكترون، امگايي به اندازه 1 بدست مي دهد.
> ويمپ ها (WIMPs)
بيشتر انتخاب هاي ماده عجيت در دسته ويمپ ها - Weakly Interaching massive particles - قرار مي گيرند. ويمپ ها دسته اي از ذرات سنگين هستند كه به سختي با ذرات ديگر واكنش مي دهند از اين ذرات مي توان در تراسنيو ها و آكسيون ها را نام برد.
آخرين احتمال اين است كه ما هنوز جاذبه و گرانش را به درستي نشناخته باشيم. ممكن است جاذبه در مقياس هاي بزرگ مثل كهكشان ها نسبت به مقياس هاي كوچك كه مي شناسيم متفاوت باشد. با اينكه چنين احتمالي بعيد به نظر مي رسد ولي نبايد حتي به عنوان يك احتمال كنار گذاشته شود.
نتيجه گيري:
ستاره شناسان هنگام رصد كهكشان ها دريافتند كه مقدار بسيار زيادي ماده در عالم وجود دارد و كهكشان ها اتفاقي و نا مرتب در عالم جا نگرفته اند بلكه به صورت خوشه ها و ابر خوشه درميان رشته ها و ديواره هايي جا گرفته اند كه در بين شان تهي گاهها وجود دارند.
ماده تاريك هرچه كه هست، مهمترين علت نيروهاي گرانشي در اين عالم است و حداقل بايد سهم كوچكي در ساختار كنوني عالم داشته باشد.
در صورتي كه ماده تاريك از ذرات سبك نوترينو تشكيل شده باشد مي تواند فواصل بسيار بزرگ را پوشش دهد يعني در فواصل بين رشته ها و ديواره ها قرار مي گيرد اين نوع ماده HDM يا ماده تاريك داغ نام دارد.
اما در صورتي كه ماده تاريك از ذرات سنگين مثل WIMPs تشكيل شده باشد، ذراتش نسبتا به آرامي حركت مي كنند و مي توانند مقياس هاي كوچكتري مثل فواصل كهكشاني را پوشش دهند اين نوع ماده CDM يا ماده تاريك سرد نام دارد. هر دو نوع ماده يعني HDM و CDM مشكلاتي دارند از جمله اينكه CDM ني تواند ساختارهايي با مقياس هاي بزرگ و HDM نمي تواند مقياس هاي كوچك را تحت پوشش قرار دهد. با اين حساب فرض مي كنيم كهكشان ها در ميان ماده مخلوط ياMDM شكل گرفته اند.
dezsky.blogfa.com