ماده تاریک چیست؟

🌑مـــــاده تــــاریــــــک

این کنفرانس در مورد ماده تاریک ،طبق اخرین مشاهدات رصدی و بررسی های آزمایشگاهی از آن است.
میدانیم که حدود 95% از محتوای ماده-انرژی موجود در جهان برای اخترشناسان قابل دیدن نیست و نوعی ماده ی مرموز، گرانش لازم برای پایدار نگه داشتن کهکشان ها و خوشه های کهکشانی را تامین می کند و علاوه بر آن ،انرژی مرموزی به انبساط عالم شتاب میدهد.اخترشناسان ،این دو را به ترتیب “ماده تاریک” و “انرژی تاریک” نام گذاری کرده اند و سالهاست در تلاش هستند اسرار آنها را کشف کنند. به تازگی سه تلسکوپ بسیار عظیم با زیر نظر گرفتن یک خوشه ی کهکشانی دوردست ، کشف کرده اند که ماده ی تاریک نامرئی به وسیله ی نیروهایی ناشناخته کنترل می شود.

وقتی ۷۰۰ میلیون سال پیش، دو خوشه ی عظیم کهکشانی با یکدیگر برخورد کردند، اول کار اتفاق چندان قابل توجهی رخ نداد. تک تک کهکشانهای درون دو خوشه، هزاران سال نوری با نزدیک ترین همسایه شان فاصله داشتند؛ اما بسیاری از این کهکشانها حرکت به سمت یکدیگر را آغاز کردند
و گرانش طی میلیون ها سال، آرام آرام هر دو خوشه را یکی کرد.
امروزه مشخص شده است که این برخورد نتایج فوق العاده شگرفی داشته است. گروهی بین المللی از ستاره شناسان، با استفاده از سه تلسکوپ که یکی از آنها تلسکوپ فضایی «هابل» است، از نزدیک نگاهی به این برخورد در خوشه ی کهکشانی “ماسکت بال”(به معنی گلوله ی تفنگ سرپر) انداخته اند.
آنها نشانه هایی را دیده اند که معلوم می کند ماده ی تاریک موجود در این خوشه ی کهکشانی، براساس قوانین فیزیکی ناشناخته ای رفتار می کند. این قوانین مشخص میکنند که ذرات ماده ی
تاریک چطور با هم برهمکنش دارند، چیزی شبیه برهمکنشی که بین ماده ی مرئی و نور هم وجود دارد. . این نتایج دانشمندان را به سمت مسیری جدید در حوزه ی تحقیقات ماده ی تاریک هدایت کرده است.
اولین مستندات مبنی براین که مقدار زیادی ماده ی تاریک در جهان وجود دارد، سال ۱۹۳۳ (۱۳۱۲) و از رصد یک خوشه ی کهکشانی به دست آمد. «فریتز زوویکی»، منجم سوییسی، کشف کرد که خوشه ی کهکشانی «گیسو» (Coma، در صورت فلکی گیسوان بر نیسه) گرانش ناشی از ستاره ها و گازهای موجود در این خوشه (ماده ی مرئی)آنقدر سریع میچرخد که امکان ندارد گرانش ناشی از ستاره ها و گازهای موجود در این خوشه(ماده مرئی) بتواند آنها را دور هم نگه دارد،پس در خوشه ی گیسو باید ماده ای نامرئی با گرانش بسیار قوی وجود داشته باشد که از متلاشی شدن این کهکشان ها و پرتاب شدن اجزایشان به بیرون جلوگیری کند. فریتز زو ویکی این ماده ی ناشناخته .را «ماده ی تاریک» نامید در دهه ی ۱۹۷۰ (۱۳۵۰)، رصدهای دقیق تر نشان داد که ماده ی تاریک نه تنها در فضای میان کهکشان ها که درون تک تک آنها هم موجود است. اگر این ماده ی نامرئی، ستاره های مرزهای خارجی راه شیری را نگه نمی داشت، آنها به خاطر سرعت زیادی که دارند، به بیرون از کهکشان پرتاب می شدند. اما این تازه آغاز ماجرا بود. در اواخر دهه ی .۱۹۹۰ (۱۳۷۰)، کیهان شناسان با رصد نوعی ،خاص از انفجارهای ابرنواختری در کهکشانهای دوردست توانستند روند انبساط عالم را طی ۱۳میلیارد و ۷۰۰ میلیون سال گذشته بررسی کنند و به این نتیجه برسند که از حدود هفت میلیارد سال پیش، روند انبساط عالم شتاب تندشونده گرفته است. تا پیش از آن، گرانش ماده ی مرئی و ماده ی تاریک سبب شده بود که انبساط عالم شتابی کند شونده داشته باشد، از این رو نیرو یا انرژی مرموزی می بایست بر گرانش غلبه کرده باشد. پژوهشگران، این انرژی مرموز را انرژی تاریک نامیدند. حالا دیگر اخترشناسان میدانند که ماده ی مرئی تنها حدود پنج درصد کل ماده ی جهان راتشکیل می دهد و مابقی آن، ماده ی تاریک و انرژی تاریک نامرئی است؛ اما هنوز مشخص نیست که انها دقیقا چه هستند. ازمایشی های مختلفی برای رازگشایی از اسرار این دو در دست اجراست و به نظر می رسد در آینده ی نزدیک بتوانیم ویژگی های بیشتری را از ماده ی تاریک بشناسیم.
فیزیکدانان طی تحقیقاتشان به گزینه هایی رسیدند که می توانستند ماده ی تاریک مرموز باشند، اما این گزینه ها یکی یکی رد شده اند. منطقی ترین گزینه این بود که ماده ی تاریک از اجرامی شناخته شده – مانند سیاهچاله های کوچک و ستارگان نوترونی، تشکیل شده است که به خاطر تابش فوق العاده اندکی که گسیل می کنند، از چشم تلسکوپها پنهان می مانند. سیاهچاله ها و ستاره های نوترونی بسیار کم فروغند، اما این اجرام فوق العاده چگال در اطراف خود گرانش عظیمی دارند، در نتیجه مانند عدسی های گرانشی عمل می کنند و باعث خمش پرتوهای نوری می شوند که از منابع دیگر به آنها می رسد . منجمان محل ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها را به وسیله ی همین نورهای خمیده پیدا می کنند، اما عدسی های گرانشی پیداشده آنقدر کم هستند که سهم بسیار کمی از ماده ی تاریک را به خود اختصاص می دهند.
به همین دلیل، اخترشناسان این فرضیه را کنار گذاشتند و سراغ نوترینوها رفتند؛ پسرعموهای کوچکتر الکترون که بار الکتریکی ندارند. نوترینوها جرم ناچيزى دارند، مقدار خیلی زیادی از آنها در دنیا وجود دارد و به ندرت با دیگر ذرات برهمکنش می کنند، اما از آنجا که نوترینوها با سرعتی تقریبا معادل سرعت نور حرکت می کنند، احتمالا نمیتوانند توده های نسبتا ساکن ماده ی تاریک را تشکیل دهند. فرضیه ای دیگر برای توضیح ماده ی تاریک، میگوید که احتمالا قدرت گرانش در فاصله های دور، بیش از آن چیزی است که دانشمندان پیش از این تصور می کردند. اگر چنین باشد، کشش ناشی از گرانش ستاره ها و گازها در مرکز کهکشان، آنقدر قوی خواهد بود که می تواند ستاره های حاشیه ی کهکشان را در مدار خود نگه دارد و مانع از پرتاب آنها به فضا شود. این فرضیه به آن معنی است که چیزی به عنوان ماده ی تاریک وجود ندارد و آنچه مشاهده کرده ایم، صرفا نتیجه ی اشتباه در محاسبه ی نیروی گرانش است؛ اما مشکل دیگری همچنان باقی می ماند: تصاویر برخورد کهکشان ها در خوشه ی ماسکت بال و دیگر خوشه های کهکشانی نشان می دهد که بیشتر ماده ی موجود در این خوشه بعد از برخورد، در جایی غیر از محل حضور ستاره ها و ابرهای گاز تجمع پیدا کرده است.در حال حاضر، ستاره شناسان بر سر یک توضیح محتمل به اجماع رسیده اند؛ این که ماده ی تاریک وجود دارد و از ذراتی ناشناخته تشکیل شده است.
این اتفاق به این دلیل است که زمین به دور خورشید میچرخد و تابستان ها در جهت عکس حرکت بقیه کهکشان ها حرکت میکند ،از این رو ذرات زیادی با آن برخورد میکند .

☝☝🎆خوشه ی ماسکت بال

🔴قسمت قرمز: گازهایی که بیشتر ماده مرئی خوشه ی کهکشانی را تشکیل می دهند

🔵قسمت آبی: ماده تاریک موجود در خوشه کهکشانی

☝☝2-باد ماده ی تاریک به زمین برخورد میکند!
از سال ۲۰۰۰ به این طرف اشکارساز DAMA افت و خیزهای فصلی را در تعداد برخوردهای ذرات تاریک با زمین نشان داده است.
3مشاهده و بررسی حساس و مهم

1-همونطور که گفته شد در دهه ی ۱۹۷۰(۱۳۵۰)دو اخترشناس به نام های “ورا روبین” و “کنت فورد” کشف کردند که تمام کهکشانها چنان سریع میچرخند که ستاره هایی که از مرکز آن دور هستند ، باید به بیرون پرتاب شوند، اما اینکه تا به حال چنین اتفاقی نیفتاده است و آن هاسرجایشان باقی مانده اند،به دلیل وجود ماده ی تاریک است.

☝☝3-ماهواره پلانک و تعیین سهم ماده و انرژی عالم

سال۲۰۱۳ ماهواره اروپایی پلانک با سنجش تابش ریزموج زمینه ی کیهانی ،دقیق ترین نقشه از توزیع ماده -انرژی را ترسیم کرد.
❎گزینه های متعدد

پیش از این، برخی دانشمندان پیشنهاد داده بودند که ماده ی تاریک میتواند از ذراتی سنگین با برهم کنش های ضعیف یا به اختصار “wimp” درست شده باشد.ذرات ویمپ تقریبا تخها از طریق گرانش بر ماده ی مرئی اثر میگذارند و به ندرت بر هم کنشی انجام می دهند .نزدیک ترین احتمالی که می توان برای ماهیت این ذرات در نظر گرفت، این است که آنها، ذراتی از خانواده ی جفت های ناشناخته ی بلوکهای اتمی، مانند الکترون ها باشند. در شتاب دهنده ی بزرگ LHC در «سرن» (آزمایشگاه تحقیقات هستهای اروپا) دانشمندان در تلاشند تا این ذرات را مشاهده کنند، اما تاکنون موفق نبوده اند. طی سالهای اخیر، ازمایشهای دیگری هم برای آشکارسازی ویمپ ها انجام شده که همگی با شکست روبه رو شده اند ،از این رو بیشتر فیزیکدانان به فکر نامزدهای دیگری برای توضیح ماده ی تاریک هستند. در این میان، گروهی از فیزیکدانان، نامزد دیگری را به عنوان ماده ی تاریک مطرح کردهاند: نوترینوهای سترون یا نازا (Sterile neutrinos) که تنها از طریق گرانش با اتم ها برهمکنش می کنند. یکی نوترینوی سترون از دیگر انواع نوترینو سنگین تر است و کندتر هم حرکت میکند؛ در نتیجه می تواند با ویژگی های مشاهده شده از ماده ی ، تاریک در جهان سازگار باشد. با این حال مشاهدات رصدی چیز دیگری را نشان می دهند. هنگام برخورد در خوشه ی ماسکت بال، ماده ی تاریک هم مانند کهکشان ھا، طول منطقه ی برخورد را پیموده است؛ اما محل فعلی ماده ی تاریک در این خوشه نشان می دهد که کهکشان ها با سرعتی بالاتر نسبت به ماده ی تاریک حرکت کرده اند. کهکشان ها سریع تر از ماده ی تاریک جلو رفته اند و در منطقه ای وسیع تر پخش شده اند.کاهش سرعت ماده تاریک در این بین، نشان میدهد که این ماده هم مانند ماده ی مرئی، با خودش برهمکنش دارد.
این برهمکنش ها براساس قوانین فیزیکی ای رخ داده اند که دانشمندان هنوز آنها را نمیشناسند. اخترشناسان تصور می کنند که ذرات ماده ی تاریک با یکدیگر برهمکنش های شیمیایی، الکتریکی و مغناطیسی داشته باشند و این برهمکنش ها را به وسیله ی همزاد تاریک نیروی الکترومغناطیسی ،که برهمکنش بین اتمهای ماده ی معمولی را کنترل می کند – انجام می دهند. این البته نتیجه ی غافلگیرکننده ای است، چون تا به حال دانشمندان تصور میکردند که ماده ی تاریک از ذرات گوشه گیر و تنبلی تشکیل شده است که تنها از طریق گرانش و جاذبه ی متقابل روی یکدیگر تائیرمی گذارند.
🔭3تلسکوپ همکار

تئوری تشکیل ماده ی تاریک از ذرات ناشناخته ،در مشاهدات جدید خوشه ی ماسکت بال از چند طریق مختلف تایید شده است.تسلسکوپ فضایی هابل ،رصدخانه ی فضایی پرتو ایکس “چاندرا” و تلسکوپ های دوقلوی “کِک” در هاوایی ، بطور همزمان تصاویری از این خوشه ی کهکشانی تهیه کرده اند که نشان می دهند بیشتر ماده ی موجود در این خوشه، از محلی قرار گیری اجرام با ماده ی مرئی فاصله دارد. تلسکوپ فضایی هابل، نور مرئی برآمده از این خوشه ی کهکشانی را به تصویر کشیده است.این تصاویر نشان میدهند که طی برخورد خوشه ها، بیشتر کهکشان ها با سرعت از کنار یکدیگر گذشته اند. در نهایت این کهکشانها در منطقه ای به طول هشت میلیون سال نوری متوقف شده اند و خوشه ی کنونی را تشکیل دادهاند. باقی ماده ی مرئی موجود در خوشه ی ماسکت بال به شکل ابرهای گازی است. تصاویری که رصدخانه ی فضایی چاندرا تهیه کرده، توده های گازی فوق العاده داغی را آشکار کرده است که از خود اشعه ی ایکس تابش میکنند.این تصاویر به وضوح نشان میدهند که ابرهای گازی به اندازه ی کهکشان ها پراکنده نشده اند و هنوز در همان محدوده ی برخورد متمرکز شده اند.برای اشکارسازی ماده ی تاریک، اخترشناسان از خوشه ی ماسکت بال به عنوان یک عدسی گرانشی استفاده کردند. آنها با استفاده از تلسکوپ های دوقلوی ده متری کک در هاوایی، نور ساطع شده از منابع پشت این خوشه را اندازه گیری کرده و با تحلیل اثر همگرایی گرانشی، پراکندگی ماده را درون
خوشه مشخص کرده اند. نقشه ی پراکندگی ماده به وضوح نشان داد که بخش عمده ی ماده ی موجود در خوشه ی ماسکت بال با محل تجمع این ابرهای گازی فاصله دارد، در صورتی که ابرهای گازی متمرکز در مرکز ،بیشترین مقدار ماده ی مرئی این خوشه را تشکیل میدهند.این دلیل مهم نشان میدهد که در خوشه ی ماسکت بال ،مقادیر بسیار زیادی ماده ی نامرئی وجود دارد.