11 سوال بی پاسخ درباره ماده تاریک؛ اسرارآمیزترین ماده کائنات - پزشکی مدرن

ماده تاریک و اسرار آن

در سال 1930، یک ستاره شناس سوئیسی با نام فریتس تسوئیکی (Fritz Zwicky) دریافت کهکشان های واقع در یک ابر خوشه بسیار دور، مشغول گردش به دور یکدیگر با سرعتی بیشتر از حد مورد انتظار هستند. در واقع سرعت گردش این کهکشان ها به دور یکدیگر، با در نظر گرفتن توده و جرم قابل مشاهده آن ها، بیشتر تلقی می شد. این موضوع سبب شد فریتس تسوئیکی فرضیه وجود یک ماده غیر قابل مشاهده را مطرح کند. ماده تاریک (Dark Matter) نامی است که در نهایت برای آن برگزیده شد. به عقیده وی، ماده ای ناشناس به وسیله اعمال گرانش روی کهکشان ها، سبب افزایش سرعت گردش آن ها می گردد.

از آن موقع به بعد، مطالعات بیشتری صورت گرفت و تعیین شد این ماده اسرارآمیز در سرتاسر کیهان وجود دارد. طبق تحقیقات، فروانی ماده تاریک در مقایسه با ماده ای که اشیای عادی همچون ستاره ها، سیارات و حتی انسان ها را ساخته، شش برابر بیشتر است!

اگرچه دانشمندان به وجود ماده ای اسرارآمیز و بسیار پرحجم در سرتاسر کائنات پی برده و در موجودیت آن شکی ندارند، اما همچنان سوالات زیادی درباره آن در سرشان می چرخد، سوالاتی که متاسفانه هیچ پاسخی برای آن ها وجود ندارد! ماده سیاه با وجود در بر گرفتن کل کیهان و داشتن حجمی بیشتر از تمام مواد موجود در سرتاسر کائنات، هنوز اسرارآمیز و ناشناخته به جای مانده است!

ماده تاریک چیست؟

نکته بسیار عجیب درباره ماده تاریک این است که دانشمندان به وجود چنین ماده ای اعتراف نموده و در موجودیت آن شکی ندارند، اما نمی توانند چیستی و حقیقت آن را تشریح نمایند! بعضی دانشمندان حدس می زنند جرم گمشده در دنیا، از ستاره های کم نور و سیاه چاله ها ایجاد شده است. البته بر اساس گفته های دان لینکن (Don Lincoln)، فیزیک دان آزمایشگاه Fermilab، طبق مشاهده های دقیق، ارتباط چندانی بین چنین اشیایی و ماده سیاه یافت نشده است.

در حال حاضر، تنها فرضیه پذیرفته شده درباره حقیقت ماده تاریک، تشکیل شدن آن از یک ذره فرضی با نام Weakly Interacting Massive Particle (ذره بزرگ تعاملی ضعیف) است که به طور خلاصه، WIMP نامیده می گردد. بر اساس توضیحات دان لینکن، این ذره شبیه به نوترون عمل می نماید، با این تفاوت که در مقایسه با یک پروتون، بین ده تا صد برابر سنگین تر است. هر فرضیه تازه مطرح شده درباره ماده تاریک، سوالات بی پاسخ تازهتری درباره آن ایجاد می نماید!

آیا قادر به آشکار ساختن ماده سیاه هستیم؟

اگر ماده تاریک از ذرات WIMP ایجاد شده است، آن ها می بایست همه جا در اطراف ما، به صورت نامرئی و به سختی قابل تشخیص، وجود داشته باشند. پس چرا با وجود احاطه شدن به وسیله این ذرات، قادر به یافتنشان نیستیم؟ اگرچه WIMP با دیگر مواد متداول تعامل زیادی ندارد، اما همواره می توان شانسی برای برخورد یک ذره انرژی تاریک با یک ذره عادی همچون پروتون یا الکترون حین سفر آن در طول فضای بی پایان، قائل شد.

دانشمندان به منظور مطالعه روی تعداد زیادی از ذرات عادی، در عمق زمین، آزمایش های بسیار زیادی انجام داده اند. در این آزمایش ها کوشش می گردد به وسیله محافظت ذرات، از تداخل تابش جلوگیری شده و شرایط برخورد یک ذره ماده تاریک با یک ذره ماده عادی هچون پروتون یا الکترون شبیه سازی گردد. مشکل اینجاست که بعد از چندین دهه تحقیق، هیچ کدام یک از ردیاب های طراحی شده دستاوردی نداشته اند. آخرین آزمایش درباره ماده تاریک به پروژه کشور چین با نام PandaX مربوط می گردد که نتیجه آن نیز عدم کشف ماده WIMP بوده است.

بر اساس گفته های های-بو یو (Hai-Bo Yu)، فیزیک دان دانشگاه کالیفرنیا، به نظر می رسد ذرات تشکیل دهنده ماده سیاه، از ابعادی که دانشمندان برای یک WIMP قائل شده اند بسیار کوچک تر بوده یا ساختارشان به حدی پیچیده است که مطالعه روی آن ها را سخت می نماید.

آیا ماده تاریک از ذرات جزئی تر بیشتری ساخته شده است؟

هر سوال بی پاسخ مربوط به ماده تاریک، چندین سوال بی جواب دیگر را در دل دارد. به عنوان نمونه، آیا اصلا بررسی WIMP به تنهایی کار درستی است؟ شاید ماده سیاه همچون دیگر ماده های موجود در طبیعت، از چندین ذره کوچکتر ایجاد شده است و در واقع بیشتر از یک قسمت دارد. ماده های متداول از ذرات متفاوتی همچون پروتون و الکترون ایجاد شده اند. دانشمندان طی سال های اخیر، به وجود ذرات زیر اتمی دیگری در ماده همچون نوترون و پیون نیز پی برده اند.

اما دانشمندان درباره ساختار ماده تاریک، که 85 درصد کل ماده های موجود در کائنات را تشکیل می دهد، تردید داشته و تصور می نمایند ممکن است این ماده نیز دارای چندین ذره باشد. بر اساس گفته های آندری کتز (Andrey Katz)، فیزیک دان دانشگاه هاروارد، هیچ علت قانع نماینده ای برای مطرح کردن فرضیه ایجاد شدن ماده تاریک تنها از یک ذره، وجود ندارد.

به عقیده آندری کتز، ممکن است پروتون های ماده سیاه با الکترون های آن، در ساختاری کنار هم قرار داشته و اتم های منحصربه فرد این ماده را تشکیل بدهند. با توجه به متفاوت بودن ماده تاریک نسبت به ماده ای که همه می شناسیم، بدون شک ذرات زیر اتمی آن (در صورت وجود) خواصی منحصربه فرد دارند، اما در صورت حقیقی بودن این فرضیه، روی هم رفته، ساختار یکسانی در سرتاسر کیهان برقرار است، چرا که ماده تاریک نیز از ذرات کوچکی (اتم) تشکیل شده که خود آن ها، در بر دارنده ذرات کوچکتری (زیر اتمی) هستند. متاسفانه دانشمندان طی چند سال اخیر، پیروز به تایید یا رد این فرضیه نشده اند.

آیا نیرو های تاریک وجود دارند؟

در کنار چندین ذره (احتمالی) تشکیل دهنده ماده تاریک، نظریه ای درباره وجود نیرو هایی شبیه به نیرو های درونی موجود در ماده عادی داخل ماده سیاه، مطرح شده است. بعضی دانشمندان در جستجوی فوتون های تاریک هستند که احتمالا حقیقتی شبیه به فوتون های رد و بدل شده بین ذرات عادی دارند. این جابه جایی فوتون ها، نیروی الکترومغناطیسی را به وجود می آورد. تفاوت این فرآیند داخل ماده تاریک این است که نیروی حاصل از آن، فقط به وسیله ذره های تشکیل دهنده همین ماده احساس می گردد.

دانشمندان ایتالیایی به منظور یافتن پاسخ این سوال، آزمایشی برای تاباندن پرتویی از الکترون و پاد ذره آن با نام پوزیترون داخل یک الماس را شروع کردند. اگر فوتون های تاریک وجود داشته باشند، جفت حاصل از الکترون و پوزیترون می تواند یکی از عجیب ترین ذره های منتقل نماینده نیرو را از بین برده یا به وجود بیاورد! به این ترتیب، پنجره ای تازه به روی دانشمندان باز شده و از اسرار تازه ای پرده برداری خواهد شد.

آیا ماده تاریک از اکسیون ایجاد شده است؟

همراه با کاهش علاقه فیزیک دان ها به ذرات WIMP، ذرات فرضی تازه متعلق به ماده تاریک محبوبیت پیدا می نمایند. یکی از ذرات فرضی که توجه فیزیک دان های زیادی را به خود جلب نموده است، اکسیون (Axion) محسوب می گردد. برخلاف WIMP، یک اکسیون فوق العاده سبک بوده و حجم بسیار بسیار کمتری نسبت به پروتون دارد. طی چند سال اخیر، آزمایش هایی برای کسب اطلاعات بیشتر درباره اکسیون اجرا شده است.

بر اساس شبیه سازی های کامپیوتری اخیر، احتمال شباهت اکسیون ها به اشیایی همچون ستاره ها افزایش پیدا نموده است. به همین علت آن ها قادر هستند تشعشعاتی قابل کشف از خود ساطع نمایند. این تشعشعات تقریبا به پدیده مرموز Fast-Radio Burst شباهت دارند. ذره اکسیون فاقد بار الکتریکی بوده و چرخشی ندارد.

خواص ماده تاریک چیست؟

ستاره شناسان، ماده تاریک را به وسیله تعامل های گرانشی آن با ماده عادی کشف کردند، به همین علت آن ها، این نوع تعامل را اصلی ترین روش انرژی تاریک به منظور نمایش حضور خود در سرتاسر کائنات می دانند. اما در زمان کوشش برای فهم حقیقت و طبیعت واقعی ماده تاریک، دانشمندان به در بسته می رسند. بر اساس بعضی نظریه ها، ذره های تشکیل دهنده این ماده، پاد ذره های خود نیز محسوب می شوند! به همین علت دو ذره انرژی تاریک در صورت دیدار، یکدیگر را از بین می برند!

از سال 2011، یک آزمایش در ایستگاه فضایی بین المللی با نام The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) شروع شده تا بلکه دانشمندان به نشانه هایی درباره این فرضیه نابودی در اثر برخورد ذره های یکسان با یکدیگر برسند. از زمان شروع تحقیق، تا امروز صد ها هزار رویداد مشاهده شده است. ستاره شناسان هنوز درباره ارتباط این اتفاق با ماده تاریک مطمئن نیستند، اما برای پی بردن به حقیقت ماده تاریک، آزمایش AMS را ادامه می دهند.

آیا ماده تاریک در همه کهکشان ها وجود دارد؟

با توجه به وزن بسیار بیشتر ماده تاریک در مقایسه با ماده عادی، گفته می گردد این ماده، نیروی کنترل نماینده کائنات بوده و مدیریت ساختار های بسیار بزرگ همچون کهکشان ها و خوشه های کهشکانی را عهده دار است. با توجه به نحوه کشف ماده تاریک که در ابتدای مطلب به آن اشاره کردیم، این موضوع عجیب نیست، مگر این که بدانید دانشمندان در سال 2018، کهکشانی با نام NGC 1052-DF2 کشف کردند که به نظر می رسد تقریبا هیچ ماده تاریکی در آن وجود ندارد!

بر اساس گفته های پیتر وان داکم (Pieter van Dokkum) از دانشگاه ییل آمریکا، به نظر می رسد وجود ماده سیاه به منظور تشکیل شدن یک کهکشان ضروری نیست. در تابستان سال 2018، یک تیم تحقیقاتی بر اساس یک سری بررسی نشان داد تیم پیتر وان داکم در میزان گیری فاصله کهکشان NGC 1052-DF2 دچار خطا شده است، به همین علت ماده قابل رویت آن، به مراتب کم نورتر و سبک تر از آن چه دانشمندان برای نخستین مرتبه رویت کردند، بوده است. پس در واقعیت بخش بزرگی از حجم این کهکشان را نیز ماده تاریک تشکیل می دهد.

از نتایج DAMA/LIBRA چه خبر؟

یکی از راز های حل نشده مربوط به ذرات فیزیکی، به نتایج معمایی و پیچیده آزمایش DAMA/LIBRA مربوط می گردد. در این پروژه، یک ردیاب در اعماق یک معدن در کوه های گران ساسو ایتالیا واقع شده و با استفاده از آن درباره نوسانات دوره ای درون ذره های ماده تاریک مطالعاتی انجام می گردد.

این نوسانات ممکن است با گردش زمین به دور خورشید و همزمان با پرواز ذرات از میان جریان کهکشانی ماده تاریک، که منظومه شمسی را احاطه نموده است، افزایش پیدا کند. این جربان، باد ماده تاریک نامیده می گردد. از سال 1997، دانشمندان مدعی مشاهده سیگنال های مربوط به این باد به وسیله ردیاب DAMA/LIBRA شده اند، هر چند هیچ آزمایش دیگری، چنین دستاوردی نداشته است.

آیا ماده تاریک دارای شارژ الکتریکی است؟

یک سیگنال از شروع زمان، دانشمندان را به مطرح کردن فرضیه وجود یک شارژ الکتریکی در ماده تاریک وادار نموده است. تشعشعاتی با طول موج 21 سانتی متر، به وسیله یک سری ستاره در ابتدای خلقت کیهان ساطع شد. زمان این رویداد، 180 میلیون سال بعد از بیگ بنگ تخمین زده شده است. این تشعشعات در ادامه به وسیله هیدروژن سردی که در آن موقع در اطراف کیهان وجود داشت، جذب شدند.

وقتی وجود چنین تشعشعاتی در ابتدای سال میلادی گذشته به وسیله دانشمندان کشف شد، بر اساس نشانه های آن، تعیین شد هیدروژن جذب نماینده آن در مقایسه با چیزی که دانشمندان تصور می کردند بسیار سردتر بوده است. بر اساس فرضیه متخصص فیزیک نجومی دانشگاه هاروارد، جولین مینیوز (Julian Muñoz)، ماده تاریک به واسطه شارژ الکتریکی آن، گرمای تمام هیدروژن فراگیرنده کائنات را تخلیه کرد، درست شبیه به یخ هایی که درون لیموناد قرار دارند.

آیا ذرات عادی می توانند به ماده تاریک تنزل پیدا نمایند؟

نوترون ها، یکی از ذرات ماده با عمر محدود هستند. بعد از حدود 14 دقیقه، یک نوترون، به یک پروتون، یک الکترون و یک نوترینو واپاشیده می گردد. اما بر اساس دو آزمایش متفاوت، طول عمر های گوناگونی برای این فرآیند واپاشی به دست آمد، به طوری که اختلافی 9 ثانیه ای بین آ ن ها وجود داشت.

ابتدای سال 2018، فیریک دان ها پیشنهاد کردند اگر یک درصد از زمان، بعضی نوترون ها به ذرات تشکیل دهنده ماده تاریک واپاشیده شوند، یک نوع نابه سامانی پدید خواهد آمد. کریستوفر موریس (Christopher Morris) در آزمایشگاه Los Alamos National، به همراه تیم خود برای دریافت سیگنال هایی از ماده تاریک، نوترون ها را با دقت مورد تحقیق قرار داد، اما هیچ چیز خاصی رویت نشد. به عقیده آن ها، انواع دیگری از واپاشی ممکن است وجود داشته باشند که هنوز قادر به کشف آن ها نبوده ایم.

آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد؟

ماده تاریک اسرارآمیزتر از چیزی است که تصور می کنید. گفته می گردد این ماده، بیش از 85 درصد کل کائنات را تشکیل می دهد، اما قادر به رویت آن نبوده و حتی از ماهیت، حقیقت، طبیعت و ساختار آن بی اطلاع هستیم! با توجه به مشکلاتی که دانشمندان در مسیر اثبات فرضیه های درباره ماده سیاه به آن برخورد نموده اند، یک سوال اساسی پدید می آید؛ آیا این ماده واقعا وجود دارد؟

برای سال های متمادی، تعداد کمی از فیزیک دان ها پیشنهاد داده اند احتمالا نظریه های ما درباره گرانش اشتباه بوده اند، به همین علت نیرو های بنیادی در سطح وسیع، متفاوت تر از آن چه تا امروز تصور می شد رفتار می نمایند. بر اساس این ادعا مدل MOND مطرح شده و وجود ماده تاریک رد می گردد. طبق این دیدگاه، سرعت بسیار بالای ستاره ها و کهکشان ها که بیشتر از میزان طبیعی و مورد انتظار است، از رفتار عجیب نیروی گرانش در ابعاد وسیع حاصل می گردد.

منبع: livescience

پ