آیا ماده تاریک وجود دارد؟
آیا ماده تاریک وجود دارد؟
ماده تاریک شایع ترین چیزی است که فیزیکدانان هرگز نتوانسته اند پیدا کنند: وقت آن است که توضیحات بدیل را در نظر بگیریم.
در سال 1969 ، ستاره شناس آمریكایی ورا روبین از مشاهدات خود در مورد تلاطم کهکشان آندرومدا ، بزرگترین همسایه كهكشان راه شیری دچار تعجب شد. در حالی که او بازوهای مارپیچی چرخان ستارگان را از طریق طیف هایی که او و همکارانش با دقت در رصدخانه ملی کیت پیک و رصدخانه لاول ، هر دو در آریزونا ، اندازه گیری کرده بودند ،متوجه چیزی عجیب و غریبی شد: به نظر می‌رسید ستارگان در حومه کهکشان با سرعت در حال چرخش هستند. خیلی سریع آنقدر سریع که انتظار داشت آنها از آندرومدا فرار کنند و به بخش‌های فراتر بروند. با این حال ستاره‌های چرخان در جای خود باقی مانده‌اند.
تحقیقات روبین ، که به ده‌ها کهکشان مارپیچی دیگر نیز گسترش یافت ، به یک معضل چشمگیر منجر شد: یا در آنجا چیزهای بیشتری وجود داشت ، تاریک و پنهان از دید ما ، اما نگهداری کهکشان‌ها با کشش گرانشی ، یا گرانش به نوعی در مقیاس وسیع کهکشانی از آنچه دانشمندان قبلاً تصور می‌کردند، بسیار متفاوت‌تر عمل می‌کند.
کشف تأثیرگذار او هرگز جایزه نوبل را به همراه نداشت، اما دانشمندان شروع به جستجوی نشانه‌هایی از ماده تاریک در همه جا ، پیرامون ستارگان و ابرهای گازی و در میان بزرگترین اجرام و کهکشان‌های کیهان کردند. تا دهه 1970 ، اخترفیزیکدان سایون وایت از دانشگاه کمبریج ادعا کرد که او می‌تواند مجموعه‌ی کهکشان‌ها را با الگویی توضیح دهد که در آن بیشتر ماده‌ی موجود در جهان تاریک است ، چیزی که از همه‌ی اتم‌های موجود در تمام ستارگان آسمان بیشتر است. در دهه بعد ، وایت و دیگران با استفاده از شبیه‌سازی دینامیکی ذرات فرضی ماده تاریک بر روی کامپیوترهای نه چندان پیشرفته آن روز ، این تحقیق را انجام دادند.
اما با وجود این پیشرفت‌ها ، در طول نیم قرن گذشته ، هیچکس تاکنون مستقیماً ذره‌ای از ماده تاریک را کشف نکرده است. بارها و بارها ، ماده تاریک در برابر قلاب، مانند سایه‌ای زودگذر در جنگل گریخته است. هر بار که فیزیکدانان ذرات ماده تاریک را با آزمایش‌های قدرتمند و حساس در معادن متروکه و قطب جنوب جستجو کرده‌اند و هر زمان که سعی کرده‌اند آنها را در شتاب‌دهنده‌های ذرات تولید کنند ، دوباره با دست خالی برگشته‌اند. برای مدتی ، فیزیکدانان امیدوار بودند که یک نوع نظری از ماده‌ای به نام ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف (WIMPs) را پیدا کنند ، (م: کاندیدایی برای ماده تاریک گرم) اما جستجوهای آنها بارها و بارها بی نتیجه مانده است .
ماده تاریک ظاهراً شایع‌ترین چیزی است که فیزیکدانان هرگز ندیده‌اند. و تا زمانی که پیدا نشود ، هنوز هم ممکن است که اصلاً ماده تاریک وجود نداشته باشد. یک جایگزین باقی مانده است: به جای مقادیر عظیمی از ماده پنهان ، برخی از جنبه‌های گرانش اسرارآمیز می‌توانند جایگزین آن در کیهان باشند .
این تصور که گرانش در مقیاس‌های بزرگ رفتارهای مختلفی دارد ، از زمان تولد روبین و وایت در دهه 1970 به حاشیه رفته است. اما اکنون وقت آن رسیده است که این احتمال را در نظر بگیریم. دانشمندان و تیم‌های تحقیقاتی باید به دنبال گزینه‌های بدیل ماده تاریک باشند. کنفرانس‌ها و کمیته های اعطای مجوز باید به فیزیکدانان اجازه دهند این نظریه‌ها را از بین ببرند و آزمایش‌های جدیدی را طراحی کنند. صرف نظر از اینکه چه کسی درست می‌گوید، چنین تحقیقاتی در مورد گزینه‌های بدیل، در نهایت به مشخص کردن و تبلور آنچه نمی‌دانیم و آنچه انجام می‌دهیم کمک می‌کند. این کار سؤالات چالش برانگیز را تشویق می‌کند ، مطالعات تکرارپذیر را ترغیب می‌کند ، نقاط ضعف نظریه‌ها را برجسته و ایده‌های جدیدی در مورد راه پیش رو القا می‌کند. و ما را وادار می‌کند تا تصمیم بگیریم که چه نوع شواهدی را لازم داریم که به چیزی که نمی‌توانیم ببینیم باور داشته باشیم.
قبلاً این اتفاق افتاده است. در اوایل دهه 1980 ، موردهای موتی ” میلگروم ” روایت ماده تاریک که به طور فزاینده‌ای محبوبیت داشته ، زیر سوال برد. او در حالی که در مؤسسه‌ای مشغول به کار بود ، اندازه گیری‌های روبین و دیگران را مورد مطالعه قرار داد و پیشنهاد کرد که فیزیکدانان به اشتباه این فرض را پذیرفته‌اند كه كاملاً درک كرده‌اند كه گرانش چگونه كار می‌کند. از آنجا که ستاره‌های خارجی و ابرهای گازی کهکشان‌ها خیلی سریع‌تر از آنچه انتظار می‌رود ، مدار خود را تغییر می‌دهند ، منطقی‌تر است که فهم استاندارد از گرانش را تصحیح کنیم تا ایجاد نوع کاملاً جدیدی از ماده.
میلگروم پیشنهاد داد که قانون حرکت دوم نیوتن (توصیف چگونگی تغییر نیروی گرانشی بر روی یک جسم با شتاب و جرم آن متفاوت است) ، بسته به شتاب جسم ، تا حدودی تغییر می‌کند.
سیاراتی مانند نپتون یا اورانوس در حال گردش به دور خورشید ما ، یا ستاره‌هایی که در نزدیکی مرکز کهکشان ما در حال چرخش هستند ، این تفاوت را احساس نمی‌کنند.(یعنی بر روی آنها اثر ندارد) اما در مناطق دور افتاده از کهکشان راه شیری ، نیروی گرانشی کمتر از آنچه قبلاً از قسمت عمده ماده در کهکشان تصور می‌شد بر روی ستارگان اثر می‌گذارد. تصحیح قانون نیوتن می‌تواند بدون نیاز به ماده تاریک، سرعتی که روبین اندازه‌گیری می‌کرد را توضیح دهد.
توسعه الگوی یک جهان خالی از ماده تاریک به پروژه زندگی میلگروم تبدیل شد. در ابتدا ، او بیشتر در انزوا روی نظریه‌ی اولیه خود ، که او آنرا دینامیک اصلاح شده نیوتنی (MOND) نامید ، کار کرد. او می گوید: “بیش از چند سال ، من تنها بودم.” اما به آرامی دانشمندان دیگر دور خودشان می‌چرخند.
او و معدودی از دیگران ابتدا بر روی کهکشان‌های در حال چرخش متمرکز شدند ، جایی که MOND آنچه رابین و نظریه‌های ماده تاریک تبیین می‌کردند، به طور دقیق توصیف می‌کرد . سپس میلگروم و همكاران دامنه تحقیقات خود را گسترش داده وبه
پیش بینی رابطه بین سرعت سریع چرخش خارج از کهکشان و جرم کل کهکشان پرداختند، که بسیاری از مدلهای ماده تاریک در تلاش برای توضیح آن بودند.
اخترشناسان آر برنت تولی و جی ریچارد فیشر چنین روندی را اندازه گیری و تأیید کردند .
علیرغم این موفقیت‌ها ، اصلاح قانون دوم نیوتن تقریباً یک فرض محدود باقی ماند و باعث شد ایده‌های وی از یک نظریه تمام عیار فاصله بگیرد. این امر زمانی دوباره تغییر کرد که همکار میلگروم ، یعقوب بکنشتاین در دانشگاه اورشلیم ، MOND را بازسازی کند تا نشان دهد که می‌تواند با نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین سازگار باشد. نسبیت پیش بینی می‌کند که گرانش قدرت خم کردن پرتوهای نوری را دارد ، ایده ای که تقریباً بیش از یک قرن است در طی یک خورشید گرفتگی در سال 1919 ، تأیید شده است و امروز به عنوان “لنز گرانشی” شناخته می شود.
تقریباً در همین زمان ، ادوین هابل ، ستاره‌شناس آمریكایی متوجه شد كه گروه‌های نزدیكی از ابرهای گاز واقع در كهكشان‌های بسیار دورتر هستند. با توجه به کشف هابل ، دیگر ستاره شناسان وجود ساختارهای کیهانی بزرگتری را که اکنون به عنوان خوشه‌های کهکشانی شناخته می‌شوند ، نشان دادند که دارای لنزهای گرانشی قدرتمند هستند و پرتوهای نور را به شدت خم می‌کنند. با استفاده از فرمول های مبتنی بر پیش بینی های اینشتین ، می توان جرم یک لنز کیهانی را بدست آورد. براساس این ریاضیات ، بسیاری از فیزیکدانان از لنز گرانشی به عنوان استدلالی برای وجود ماده تاریک استفاده می‌کردند. اما بکنشتاین نشان داد که نسبیت عام و MOND نیز می‌تواند حداقل برخی از اندازه گیری‌های لنز را انجام دهد.
با این وجود ، این ایده‌ها فقط تا حدی شکل گرفته و پیش رفتند. در واقع ، میلگروم و بکنشتاین هنوز ب خوبی نمی‌دانستند که در فیزیک چه چیزی می تواند یک قانون گرانش اصلاح شده ایجاد کند.
تا چندسال پیش MOND فاقد پایه و اساس بود ، تا هنگامی که اریک ورلدین ، فیزیکدان هلندی ، شروع به ساختن نظریه‌ای بنام “گرانش اضطراری” کرد تا دلیل تغییر گرانش را تغییر دهد. از نظر ورلیند ، گرانش ، از جمله MOND ، به عنوان نوعی اثر ترمودینامیکی در ارتباط با افزایش آنتروپی یا اختلال ظاهر میشود. ایده‌های او بر فیزیک کوانتومی نیز بنا شده است ، با مشاهده فضا-زمان و ماده موجود در آن ناشی از یک مجموعه متصل به هم، متشکل از بیت های کوانتومی . وقتی فضا-زمان منحنی میشود ، گرانش ایجاد می‌کند و اگر به شکلی خاص منحنی باشد ، توهم ماده تاریک را ایجاد می‌کند.
تحقیقات ورلیند هنوز هم ادامه دارد . هنوز روشن نیست ، به عنوان مثال ، چگونه گرانش تغییر یافته یا از ساختار جهان جوان ، که ناشی از تابش یادگار به جا مانده از بیگ بنگ است ، معنا پیدا کند. اخترفیزیکدانان از تلسکوپ‌های فضایی استفاده کرده‌اند تا آن تابش را با جزئیات باورنکردنی ترسیم کنند ، اما آنها هنوز راهی برای ساخت مدلهای بدون ماده تاریک مطابق با اندازه گیری‌ها پیدا نکرده‌اند.
ورلیند می‌گوید: “اینطور نیست که این ایده گرانش اضطراری می‌تواند با آن رقابت کند ، اما با گذر زمان می‌تواند به یک جایگزین واقعی برای ماده تاریک تبدیل شود.
نظریه ماده تاریک پیش بینی‌هایی دارد : اگر این شکل از ماده وجود داشته باشد ، ذرات ماده تاریک بیشماری باید غالباً از طریق منظومه شمسی ما ، از طریق کره زمین ، و حتی گاهی اوقات در بدن ما در گردش است.
اما اگر در واقع مقادیر عظیمی از ماده تاریک وجود داشته باشد ، هر کهکشان در کیهان را که غافلگیر کنید، در آنجا مشاهده نمی‌شود (غیب است)، در آن صورت ذرات کوچک گریزان معمولاً با ماده عادی به شکلی که هر کسی متوجه آن باشد تعامل ندارند. این امر در واقع تشخیص آنها را به یک کار دشوار و بزرگ تبدیل می‌کند.
در حالی که اخترفیزیکدانان چشمان خود را به آسمانها دوخته‌اند ، فیزیکدانان ذرات به دنبال ایجاد ذرات احتمالی در شتاب دهنده های خود ، مانند برخورد دهنده‌ی بزرگ هادرونی (LHC) در ژنو سوئیس ، به دنبال تابش نور روی ماده تاریک بوده‌اند. LHC با هدف بازآفرینی شرایطی مانند بیگ بنگ، ذرات را با سرعت بسیار زیاد به هم برخورد می‌دهد تا در اثر انفجار انرژی ، ذرات جدیدی ایجاد کند. این ذرات از یک سری آشکارسازها عبور می‌کنند ، که به فیزیکدانان اجازه می‌دهد آنها را شناسایی کنند.
به عنوان مثال ، در LHC و پیش از آن آن ، در فرمی ( Fermilab) در غرب شیکاگو ، دانشمندان موفق به یافتن 17 ذره پیش‌بینی شده توسط “مدل استاندارد” فیزیک ذرات شدند که شامل تمام نیروهای اساسی غیر از گرانش است.
(آنها آخرین ذره استاندارد ، بوزون هیگز ، با LHC را در سال 2012 مشاهده کردند.)
دن هوپرفیزیکدان Fermilab ، در کتاب خود «در آستانه زمان» می‌نویسد: به دلیل همین موفقیت‌ها ،فیزیکدانان خیلی زود به پیشرفتی می‌رسند که ذرات ماده تاریک را هم کشف کنند.
علاقه به ماده تاریک نسل جدیدی از آزمایشات را ایجاد کرد ، که هوپر و همکارانش امیدوار بودند سرانجام ذرات اسرارآمیز را کشف کنند. دانشمندان در سراسر جهان آشکارسازهایی را در اعماق زیر زمین که غالباً با هدف یافتن ذرات ماده تاریک – ضمن جلوگیری از سر و صدا، پرتوهای کیهانی و ذرات خورشیدی که می‌تواند هر ردیاب بالای زمین را بمباران کند- ساخته شده‌اند. محققان فرض می‌کنند که ذرات ماده تاریک می‌توانند در سکوت درون یک آشکارساز ساخته شده از زنون یا مواد دیگر بچرخند و اثری از عبور آنها به صورت گرما به جا بماند. اگر آزمایش‌ها طبق برنامه‌ریزی انجام شود ، دانشمندان بالاخره ذرات ماده تاریک را نشان می‌دهند و دوره جدیدی از کیهانشناسی و فیزیک ذرات را هدیه می‌کنند.
اما آزمایشات هیچ نشانه مثبتی پیدا نکرده و امیدهای اولیه محققان از بین رفته است. در حقیقت ، آزمایش‌هایی که قادر به یافتن نشانه‌ای از ماده تاریک نیستند ، درنهایت تنها شواهدی را در مورد عدم وجود ماده تاریک ارائه می‌دهد . با هر آزمایش جدید ، دامنه ماده غیر تاریک افزایش یافته است. فیزیکدانان درک کرده‌اند که اگر ذرات ماده تاریک وجود داشته باشند ، هرگونه مشاهده‌ای دشوار خواهد بود.
چند دانشمند ، از جمله هوپر ، حتی ذرات فرضی را پیشنهاد کرده‌اند که دارای نیروهای پنهان هستندـ
این ذرات تاریک در صورت وجود ، از بین می‌روند و سپس به ذرات دیگری که ممکن است به نوعی با ذرات شناخته شده مانند بوزون هیگز همراه شوند ، خنثی می‌شوند. این قابل قبول است ، اما هنوز هیچ کس کشف واضحی از هیچ یک از این ذرات یا نیروهای پنهان به دست نیامده است.
در حالی که جستجو برای ذرات تاریک با تردید روبرو میشود ، میلگروم در سال های اخیر فیزیکدانان بیشتری را مشاهده کرده است که به سمت گرانش اصلاح شده متمایل شده‌اند . وی گفت: “آنها کاملاً ناامید نشده اند ، اما از این واقعیت که ماده تاریک کشف نشده است ، ناامید هستیم.” “برای من ، این بهترین دلیل برای کار روی MOND نیست ، اما خوشحالم که علاقه بیشتری را میبینم. این که آیا این علاقه در نهایت به گسترش تحقیقات در مورد گرانش اصلاح شده تبدیل میشود یا نه هنوز مشخص نیست.”
تسلط ظاهری امروز ماده تاریک اجتناب ناپذیر نبود. فرایندی که دانشمندان چطور نظریه های خود را توسعه می‌دهند ، به شدت تحت تأثیر انواع فاکتورهای تاریخی و جامعه شناختی قرار می‌گیرد ، نکته ای که توسط اندرو پیکرینگ ، فیلسوف برجسته علم تبیین شد.
توجه به اینكه چه كسی تصمیم می‌گیرد كدام پدیده را مطالعه كند، كدام تحقیق از طریق سرمایه‌های بزرگ دولت روی آزمایش‌های بزرگ صورت می‌گرد ، چه كسی فرصت می‌یابد كه در كنفرانس‌های علمی ، صحبت كند ، چه کسی هوش رسانه‌ای بیشتری دارد ، كدام فعالیت ها جوایز برجسته می‌گیرد ، چه کسی تصمیم می گیرد . توجه و گزینش‌های مختلف توسط سمت‌های بالای دانشکده‌ها می‌تواند مسیر آینده علم را شکل دهد. و اگر انتخاب نظریه پردازان و متخصصان تجربی همزمان با همزیستی کامل صورت بگیرد ، پیکر ادعا می‌کند ، برای یک نظریه عادلانه – مانند گرانش اصلاح شده – می‌تواند چالش برانگیز باشد.
ب: آرین رسولی
کانال تلگرام:
@arian_xboy
Ramin Skibba is an astrophysicist turned science writer and freelance journalist whose work has appeared in The Atlantic,Slate, Scientific American and Naturemagazine, among others. He is based in San Diego.
