آنچه می‌شنوید (و مقداری اطلاعات بیشتر)

خلاصه

برای دیدن یک چیز معمولاً به نور نیاز داریم، اما برای فهمیدن این‌که جرم داره، فقط نور کافی نیست؛ گرانش هم می‌تونه حضورش رو آشکار کنه. اخترشناس‌ها وقتی حرکت ستاره‌ها و کهکشان‌ها و همین‌طور خم‌شدن نور رو بررسی کردن، متوجه شدن مقدار جرم واقعی جهان خیلی بیشتر از چیزیه که می‌بینیم. اسم این بخش نادیدنی رو مادهٔ تاریک گذاشتن.

برآوردهای امروزی می‌گن مادهٔ معمولی حدود ۵ درصد، مادهٔ تاریک حدود ۲۷ درصد و انرژی تاریک حدود ۶۸ درصد از محتوای جرم‌ـ‌انرژی جهان رو تشکیل می‌دن. پس مادهٔ تاریک به‌تنهایی ۹۵ درصد جهان نیست؛ مادهٔ تاریک و انرژی تاریک روی‌هم حدود ۹۵ درصد می‌شن. این دو هم یک چیز نیستن: مادهٔ تاریک با گرانش و شکل‌گیری ساختارهای کیهانی ارتباط داره، اما انرژی تاریک به شتاب‌گرفتن انبساط جهان مربوطه.

اول روشن کنیم: چرا بعضی ماده‌ها رو می‌بینیم؟

برای فهمیدن مادهٔ تاریک، بهتره از مادهٔ معمولی شروع کنیم. ما خورشید رو می‌بینیم چون نور تولید می‌کنه. ماه رو می‌بینیم چون نور خورشید رو بازتاب می‌ده. بدن ما، سیاره‌ها، غبار میان‌ستاره‌ای و ستاره‌ها همگی از مادهٔ معمولی ساخته شده‌ان؛ یعنی از اتم‌هایی که هسته و الکترون دارن.

پس دیدن یک جسم به رفتارش با نور بستگی داره. اگر نور تولید یا بازتاب نکنه، ممکنه با چشم یا تلسکوپ معمولی دیده نشه. اما دیده‌نشدن به این معنی نیست که اون جسم وجود نداره. یک جسم نامرئی هم اگر جرم داشته باشه، گرانش ایجاد می‌کنه و می‌تونه حرکت چیزهای اطرافش رو تغییر بده.

همین تفاوت، کلید ماجراست: نور به ما می‌گه چه چیزی روشنه، ولی گرانش می‌گه چه مقدار جرم وجود داره. اگر جرم محاسبه‌شده از روی گرانش بیشتر از جرم دیده‌شده با نور باشه، باید دنبال بخشی از ماده بگردیم که روشن نیست.

حالا باید ببینیم اخترشناس‌ها چطور بدون دیدن مستقیم یک جرم، اثر گرانش اون رو اندازه می‌گیرن. ساده‌ترین راه، نگاه‌کردن به حرکته.

حرکت چطور جرم نادیدنی رو لو می‌ده؟

گرانش روی حرکت اثر می‌ذاره. مثلاً سرعت گردش یک سیاره فقط یک عدد تصادفی نیست؛ این سرعت به جرم خورشید و فاصلهٔ سیاره از اون بستگی داره. با اندازه‌گیری حرکت سیاره‌ها می‌شه جرم خورشید رو محاسبه کرد، حتی اگر نتونیم خورشید رو روی یک ترازو بذاریم.

اخترشناس‌ها همین منطق رو در مقیاس بزرگ‌تر به کار می‌برن. نور ستاره‌ها و کهکشان‌ها به اون‌ها اجازه می‌ده سرعت حرکت رو اندازه بگیرن. بعد حساب می‌کنن چه مقدار جرم و گرانش برای ایجاد چنین حرکتی لازمه. در مرحلهٔ بعد، این جرم رو با مقدار مادهٔ روشنی که در تصویر دیده می‌شه مقایسه می‌کنن.

اگر دو عدد نزدیک باشن، مادهٔ قابل‌دیدن می‌تونه حرکت رو توضیح بده. اما اگر حرکت خیلی سریع‌تر از انتظار باشه، جرم مرئی کافی نیست. در این حالت، حرکت اجرام مثل ردّ پایی می‌شه که حضور جرم نادیدنی رو آشکار می‌کنه.

این روش اول در مقیاس خوشه‌های کهکشانی توجه زیادی جلب کرد و بعد در خود کهکشان‌ها به یکی از مهم‌ترین شواهد مادهٔ تاریک تبدیل شد.

از «جرم گمشده» تا خوشهٔ کُما

در دههٔ ۱۹۳۰، یان اورت حرکت ستاره‌های نزدیک خورشید رو نسبت به صفحهٔ راه شیری بررسی کرد. نتیجه‌های اولیه بحث «جرم گمشده» رو پیش کشیدن، هرچند اندازه‌گیری‌های بعدی نشون دادن این نتیجه به‌تنهایی مدرک محکمی برای مادهٔ تاریک نبوده. اهمیت کار اورت بیشتر در مطرح‌کردن همون پرسش بنیادی بود: آیا جرمی که می‌بینیم برای توضیح حرکت‌ها کافیه؟

فریتس زوئیکی این پرسش رو در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر دنبال کرد. اون سرعت کهکشان‌های داخل خوشهٔ کُما رو اندازه گرفت. خوشهٔ کهکشانی مجموعه‌ای از کهکشان‌هاست که گرانش اون‌ها رو کنار هم نگه می‌داره. زوئیکی دید که کهکشان‌های کُما با سرعت زیادی حرکت می‌کنن.

وقتی جرم کهکشان‌های روشن رو جمع می‌کرد، گرانش حاصل برای نگه‌داشتن چنین مجموعه‌ای کافی نبود. اگر فقط مادهٔ دیده‌شده وجود داشت، کهکشان‌ها باید از خوشه فرار می‌کردن. اما خوشه پابرجا بود. پس یا محاسبه‌های گرانش مشکل داشتن، یا مقدار زیادی جرم نادیدنی داخل خوشه وجود داشت.

این نتیجه یک سرنخ مهم بود، ولی هنوز می‌شد پرسید آیا خوشهٔ کُما یک مورد خاصه. برای قوی‌ترشدن فرضیه، باید همین ناسازگاری در سامانه‌های دیگه هم دیده می‌شد. بررسی چرخش کهکشان‌های مارپیچی دقیقاً همین شواهد مستقل رو فراهم کرد.

ستاره‌های لبهٔ کهکشان چرا این‌قدر سریع حرکت می‌کنن؟

یک کهکشان مارپیچی رو تصور کنین. بخش مرکزی اون پرنورتره و بیشتر ستاره‌های قابل‌دیدن در همون ناحیه جمع شده‌ان. اگر بیشتر جرم کهکشان هم در بخش درخشان مرکزی باشه، انتظار داریم هرچه از مرکز دورتر می‌شیم، سرعت گردش ستاره‌ها کم بشه؛ تقریباً شبیه سیاره‌های دورتر منظومهٔ شمسی که آهسته‌تر دور خورشید می‌گردن.

اما اندازه‌گیری‌های ورا روبین، کنت فورد و اخترشناس‌های دیگه نتیجهٔ متفاوتی نشون داد. ستاره‌های نواحی بیرونی کهکشان‌ها خیلی آهسته‌تر نمی‌شدن؛ سرعت گردش اون‌ها در فاصله‌های زیاد تقریباً ثابت می‌موند. به نموداری که این سرعت رو در فاصله‌های مختلف نشون می‌ده منحنی چرخش می‌گن، و وقتی سرعت بیرون کهکشان کم نمی‌شه، بهش می‌گیم «منحنی چرخش تخت».

حالا همون منطق بخش قبل رو به کار ببریم. اگر ستاره‌ها سریع‌تر از چیزی حرکت می‌کنن که جرم مرئی اجازه می‌ده، پس گرانش بیشتری لازم داریم. یکی از بهترین توضیح‌ها اینه که کهکشان داخل یک هالهٔ مادهٔ تاریک قرار گرفته؛ یعنی ناحیه‌ای بزرگ و تقریباً نامرئی که خیلی فراتر از قرص روشن کهکشان ادامه داره.

این هاله گرانش اضافی لازم رو فراهم می‌کنه. بنابراین ستاره‌های یک کهکشان فقط به خاطر سیاه‌چالهٔ مرکزی نمی‌چرخن و قرار نیست در پایان داخل اون سقوط کنن. سیاه‌چالهٔ مرکزی فقط در نزدیکی خودش اثر غالب داره؛ حرکت بیشتر ستاره‌ها به جرم کل کهکشان، از جمله هالهٔ مادهٔ تاریک، بستگی داره.

تا اینجا مادهٔ تاریک رو از روی حرکت اجرام نتیجه گرفتیم. اما علم وقتی مطمئن‌تر می‌شه که چند روش مستقل به یک نتیجه برسن. روش بعدی به‌جای حرکت ستاره‌ها، مسیر خود نور رو بررسی می‌کنه.

وقتی خم‌شدن نور به یک ترازوی کیهانی تبدیل می‌شه

طبق نسبیت عام، جرم و انرژی شکل فضاـزمان رو تغییر می‌دن. نور هم وقتی از این فضای خمیده عبور می‌کنه، مسیرش عوض می‌شه. برای تصورش، نور یک کهکشان خیلی دور رو در نظر بگیرین که در راه رسیدن به ما از کنار یک خوشهٔ کهکشانی می‌گذره. گرانش خوشه مسیر نور رو خم می‌کنه و مثل یک عدسی طبیعی عمل می‌کنه.

به این پدیده عدسی گرانشی می‌گن. بسته به موقعیت اجرام، تصویر کهکشان دور ممکنه کشیده بشه، چند بار دیده بشه یا به شکل یک کمان و حتی حلقه دربیاد. اخترشناس‌ها مقدار این تغییرشکل رو اندازه می‌گیرن و از روی اون نقشهٔ جرم خوشه رو می‌سازن.

مزیت این روش اینه که به روشن یا تاریک‌بودن ماده کاری نداره. هر جرمی که فضا رو خم کنه، روی مسیر نور اثر می‌ذاره. نقشه‌های عدسی گرانشی بارها نشون داده‌ان که جرم کل خوشه‌ها خیلی بیشتر از جرم ستاره‌ها و گازهای قابل‌دیدنه.

حالا دو مسیر مستقل داریم: حرکت سریع اجرام به گرانش بیشتر اشاره می‌کنه و خم‌شدن نور هم همون جرم اضافی رو نشون می‌ده. وقتی دو روش متفاوت به نتیجه‌ای مشابه می‌رسن، احتمال این‌که فقط با یک خطای ساده روبه‌رو باشیم کمتر می‌شه. اما هنوز یک سؤال اساسی باقی می‌مونه: این جرم نادیدنی از چه چیزی ساخته شده؟

آیا مادهٔ تاریک فقط از اجرام معمولی و خاموش ساخته شده؟

اولین حدس می‌تونه این باشه که مادهٔ تاریک چیز عجیبی نیست؛ شاید فقط مجموعه‌ای از اجرام معمولی باشه که نور کمی دارن. سیاره‌های سرگردان، کوتوله‌های قهوه‌ای، کوتوله‌های سفید و سیاه‌چاله‌ها نمونه‌هایی از اجرام واقعی و کم‌نور یا تاریک‌ان.

کوتولهٔ قهوه‌ای از فشرده‌شدن ابر گاز شکل می‌گیره، اما جرمش برای ادامهٔ همجوشی هیدروژن کافی نیست؛ بنابراین مثل یک ستارهٔ معمولی نمی‌درخشه. کوتولهٔ سفید هم هستهٔ داغ و فشرده‌ایه که پس از پایان زندگی ستاره‌ای شبیه خورشید باقی می‌مونه. چگالی کوتولهٔ سفید اون‌قدر زیاده که یک قاشق چای‌خوری از ماده‌اش روی زمین می‌تونه چند تُن وزن داشته باشه.

برای پیداکردن اجرام خاموش می‌شه دوباره از خم‌شدن نور استفاده کرد. اگر یک جرم تاریک از جلوی ستاره‌ای دور عبور کنه، گرانشش برای مدت کوتاهی نور ستاره رو تقویت می‌کنه. به این پدیده ریزعدسی گرانشی می‌گن. پژوهشگران رویدادهای ریزعدسی زیادی پیدا کرده‌ان، پس چنین اجرامی واقعاً وجود دارن؛ اما تعداد و جرم مجموع اون‌ها برای توضیح همهٔ مادهٔ تاریک کافی نیست.

یک محدودیت دیگه هم از جهان آغازین میاد. مادهٔ معمولی از اتم‌ها ساخته شده و در فیزیک بهش مادهٔ باریونی هم می‌گن. مقدار عناصر سبک ساخته‌شده پس از مهبانگ و الگوی تابش زمینهٔ کیهانی به ما می‌گن کل مادهٔ باریونی جهان چقدر می‌تونه باشه. این مقدار خیلی کمتر از کل ماده‌ایه که اثر گرانشش رو می‌بینیم.

پس اجرام خاموش می‌تونن بخشی از جرم نادیدنی رو تشکیل بدن، اما نمی‌تونن پاسخ کامل باشن. این نتیجه ما رو از مادهٔ معمولی فراتر می‌بره و به احتمال وجود ذراتی می‌رسونه که هنوز ماهیتشون رو نمی‌شناسیم.

اگر اجرام معمولی کافی نیستن، دنبال چی می‌گردیم؟

پاسخ صادقانه اینه که هنوز نمی‌دونیم مادهٔ تاریک دقیقاً از چی ساخته شده. فیزیک‌دان‌ها چند نوع ذرهٔ ناشناخته رو پیشنهاد کرده‌ان. آزمایش‌های بسیار حساس در اعماق زمین، شتاب‌دهنده‌های ذرات و رصدخانه‌های فضایی دنبال نشونهٔ مستقیم این ذرات می‌گردن، اما تا امروز هیچ نامزدی به‌طور قطعی تأیید نشده.

بااین‌حال، ناشناخته‌بودن جنس مادهٔ تاریک به معنی ضعیف‌بودن شواهد وجودش نیست. حرکت کهکشان‌ها در خوشه‌ها، منحنی چرخش کهکشان‌ها، عدسی گرانشی، تابش زمینهٔ کیهانی و شکل‌گیری ساختارهای بزرگ، همگی از مسیرهای متفاوت به جرم نادیدنی اشاره می‌کنن. ما هنوز نمی‌دونیم این ماده چیه، اما می‌تونیم مقدار و اثر گرانشش رو اندازه بگیریم.

در تصویر کلی جهان، سهم مادهٔ معمولی حدود ۵ درصده. مادهٔ تاریک حدود ۲۷ درصد رو تشکیل می‌ده و در شکل‌گیری و نگه‌داشتن کهکشان‌ها نقش داره. حدود ۶۸ درصد باقی‌مونده انرژی تاریکه؛ نامی که برای عامل ناشناختهٔ مرتبط با شتاب انبساط جهان به کار می‌بریم.

پس مادهٔ تاریک و انرژی تاریک رو نباید با هم یکی دونست. شباهتشون بیشتر در اینه که هر دو هنوز کاملاً شناخته نشده‌ان و با نور معمولی دیده نمی‌شن. اما اثر و نقششون فرق داره. این دو روی‌هم حدود ۹۵ درصد محتوای جرم‌ـ‌انرژی جهان رو تشکیل می‌دن، نه این‌که مادهٔ تاریک به‌تنهایی ۹۵ درصد باشه.

منابع علمی و مطالعهٔ بیشتر

• NASA — مادهٔ تاریک
• NASA Hubble — کوازارها
• NASA — سیاه‌چاله‌ها
• NASA Webb — کوتوله‌های قهوه‌ای
• NASA — چرخهٔ زندگی یک ستارهٔ خورشیدمانند
• NASA — چگالی کوتولهٔ سفید

جمع‌بندی

برای رسیدن به مفهوم مادهٔ تاریک، از یک تفاوت ساده شروع کردیم: نور چیزهای روشن رو نشون می‌ده، اما گرانش وجود همهٔ جرم‌ها رو آشکار می‌کنه. بعد دیدیم که می‌شه از روی حرکت ستاره‌ها و کهکشان‌ها مقدار جرم لازم رو محاسبه کرد. این محاسبه‌ها بارها جرمی بیشتر از مادهٔ قابل‌دیدن نشون دادن.

منحنی چرخش کهکشان‌ها همون جرم اضافی رو در اطراف کهکشان‌ها آشکار کرد و عدسی گرانشی از راهی مستقل حضورش رو تأیید کرد. در قدم بعد، اجرام معمولی و خاموش رو بررسی کردیم و دیدیم تعدادشون برای توضیح همهٔ اثر گرانشی کافی نیست. به همین دلیل، بخش بزرگی از مادهٔ تاریک احتمالاً از چیزی ساخته شده که هنوز در فیزیک ذرات به‌طور قطعی شناسایی نشده.

پس داستان مادهٔ تاریک از یک اسم اسرارآمیز شروع نمی‌شه؛ از اندازه‌گیری‌هایی شروع می‌شه که با مادهٔ مرئی جور درنمیان. هر مرحله از شواهد، سؤال مرحلهٔ بعد رو می‌سازه: حرکت، ما رو به جرم نادیدنی می‌رسونه؛ خم‌شدن نور اون نتیجه رو مستقل بررسی می‌کنه؛ و ناکافی‌بودن اجرام خاموش، جست‌وجو برای ماهیت واقعی مادهٔ تاریک رو آغاز می‌کنه. چیزی که هنوز نمی‌دونیم جنس این ماده است، نه اثر عمیقی که روی ساختار جهان گذاشته.