ماده‌ای که به آن عادت کرده‌ایم و ماده معمولی یا ماده مرئی است فقط بخش کوچکی از تمام مواد تشکیل‌دهنده عالم است. هرچند هنوز سوالات بسیاری درباره ماده معمولی داریم، اما می‌توان گفت که، به‌ویژه در چنددهه اخیر، تاحد قابل قبولی آن را شناخته‌ایم. اما مابقی، ماده تاریک و انرژی تاریک هستند که دست‌کم براساس نظریه‌های موجود، دو عنصر اساسی کیهان‌اند که ترکیب‌شان هنوز ناشناخته مانده است. به‌عبارتی دیگر، محتوای جرم‌انرژی عالم درمجموع ۴.۹درصد ماده معمولی، ۲۶.۸درصد ماده تاریک و ۶۸.۲ درصد انرژی تاریک است و بنابراین، آنچه از عالم که ما هنوز اطلاعات زیادی درباره‌اش نداریم حدود ۹۵درصد شامل ماده تاریک و انرژی تاریک است.

سال ۱۹۳۳، اخترشناس سوییسی، فریتس تسوئیکی مشغول مطالعه دو خوشه کهکشانی به نام‌های گیسو و سنبله بود. او جرم هر کهکشان این خوشه‌ها را براساس درخشندگی‌شان محاسبه کرد و همه جرم‌های کهکشانی این دو خوشه را برای به‌دست‌آوردن جرم کل‌شان باهم جمع زد. سپس بر‌اساس اندازه‌گیری پراکندگی سرعت‌های منفرد کهکشان‌ها در هر خوشه، محاسبه دیگری مستقل از جرم کل را به‌دست آورد و مشاهده کرد که این تخمین دوم، ۴۰۰ برابر بزرگ‌تر از تخمین بر‌اساس میزان درخشندگی کهکشان‌ها است. تسوئیکی به‌درستی از محاسبات خود نتیجه گرفت که بخش عمده‌ای از اختلاف این دو جرم به‌دلیل ماده تاریک است. هرچند آن‌زمان شواهدی تجربی درباره این نظریه وجود داشت باوجوداین، فقط در دهه ۱۹۷۰ بود که دانشمندان به‌طور سیستماتیک این اختلاف را بررسی کردند و به وجود ماده تاریک رسیدند.

تاثیر ماده تاریک بر سرعت حرکت ستارگان در کهکشان‌ها

کهکشان‌ها خوشه‌هایی از ستارگانی هستند که حول مرکزی مشترک می‌چرخند که معمولا اعتقاد بر این است که سیاهچاله‌ای ابرپرجرم است. این ستاره‌ها در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف هستند. معمولا هرچه به مرکز کهکشان‌ها، برای مثال کهکشان راه شیری خودمان، نزدیک‌تر می‌شویم انتظار داریم که ستاره‌ها به‌سرعت بچرخند و هرچه دورتر می‌شویم انتظار داریم که چرخش آهسته آ‌نها را ببینیم. تصوری که دست‌کم درباره منظومه‌های ستاره‌ای درست است به‌عنوان مثال عطارد، نزدیک‌ترین سیاره به خورشید هرسال با حدود ۸۸ روز یعنی ۰.۲۴۱ برابر سال زمینی دور خورشید می‌چرخد و میانگین سرعت مداری‌اش ۴۷.۳۶ کیلومتربرثانیه است. یعنی از زمین که با سرعت ۲۹.۷۸۹ کیلومتربرثانیه، یک دور چرخشش ۳۶۵ روز و ۶ ساعت به‌طول می‌انجامد بسیار سریع‌تر می‌چرخد؛ و دورترین سیاره (یا بهتر بگوییم سیاره کوتوله)، پلوتو با متوسط سرعت مداری ۴.۶۶۹ کیلومتربرثانیه، هرسالش ۹۱هزارو۲۰۲ روز برابر با ۲۴۹.۷ سال زمینی است و این روندی است که کمابیش برای چرخش ستاره‌ها به دور مرکز کهکشان‌ها هم انتظار داریم، درحالی که این‌گونه نیست. درواقع، در بیشتر کهکشان‌ها ازجمله در راه‌شیری، به‌دلیل شیوه توزیع جرم، سرعت مداری بیشتر ستاره‌ها به فاصله آن‌ها از مرکز چندان بستگی ندارد و چه دور از برآمدگی مرکزی چه در لبه بیرونی، سرعت رایج ستاره‌ای بین ۲۱۰ تا ۲۴۰ کیلومتربرثانیه است. ازاین‌رو، سرعت مداری ستاره مستقیما با طول مسیری که می‌پیماید متناسب است. درحالی‌که همان‌طورکه پیشتر گفته شد روند سرعت مداری درون منظومه خورشیدی درست برخلاف این است. این تفاوت یکی از شواهد دال بر وجود ماده تاریک در کهکشان است.

 آلبرت اینشتین بین طیف وسیع کارهایش، پدیده‌ای فیزیکی را پیش‌بینی کرد که برپایه نظریه نسبیت عام است و با نام «عدسی گرانشی اینشتین» شناخته می‌شود: زمانی‌که نور یک چشمه درخشان بسیار دور برای‌مثال یک اختروش، طی مسیری که تا رصدگر می‌پیماید از کنار جسم پرجرم دیگری مثلا یک خوشه کهکشانی عبور کند مسیرش خمیده می‌شود. این جرم میانی (در این مثال، خوشه کهکشانی) عدسی گرانشی نامیده می‌شود. ازآنجاکه هرچه این پشت عدسی گرانشی قرار گیرد شامل ذرات مرئی و نامرئی، همگی دچار خمش و به‌نوعی بزرگنمایی می‌شوند، نه‌فقط امکان رصد کهکشان‌هایی که پشت این عدسی هستند فراهم می‌شود که همچنین می‌توان ماده تاریک نامرئی را هم ردیابی کرد.

درباره ماده تاریک چه می‌دانیم؟

همان‌طورکه پیشتر گفته شد تقریبا هیچ. فقط در این‌حد می‌دانیم که ماده تاریک برهمکنش الکترومغناطیسی ندارد. یعنی هیچ بسامدی از طیف الکترومغناطیسی را جذب یا ساطع نمی‌کند. اساسا، از نور یا هر طیف الکترومغناطیسی دیگری که اجسام تابش یا جذب می‌کنند برای دیدن آن‌ها استفاده می‌شود. بنابراین، وقتی ماده‌ای این ویژگی را ندارد واقعا نامرئی است. باوجوداین، می‌دانیم که ماده تاریک به‌حتم وجود دارد، زیرا اثرات گرانشی آن را به‌وضوح می‌بینیم و حتی می‌توان گفت که ماده تاریک بر نیرو‌های گرانشی کل کیهان تسلط دارد.

تاکنون نظریه‌های متعددی برای توضیح ماهیت ماده تاریک ارائه شده‌اند و گفته می‌شود که ماده تاریک در سیاهی‌ای که اطراف ستاره‌ها را احاطه کرده وجود دارد و به دو زیرگروه «باریونی» و «غیرباریونی» تقسیم می‌شود.

ماده تاریک باریونی از ماده‌ای کاملاً شبیه به ماده تشکیل‌دهنده ستاره‌ها، سیاره‌ها، غبار میان‌ستاره‌ای و ... تشکیل شده است با این‌تفاوت که هیچ تابشی ندارد.

تصور می‌شود که حداقل ۹۰درصد ماده تاریک از نوع غیر باریونی است که عمدتاً با ذرات فرضی WIMP (ذره سنگین با برهم‌کنش ضعیف) معرفی می‌شود. فرض بر این است که این ذرات می‌توانند ذرات ابرمتقارنی، چون نوترینو‌های عظیم، آکسیون‌ها (ذرات بنیادی فرضی بدون بار الکتریکی) یا ذرات دیگری باشند که هرگز مشاهده نشده‌اند و فقط تحت تأثیر نیروی گرانشی و برهمکنش هسته‌ای ضعیف قرار دارند.

تاکنون روش‌هایی برای آشکارکردن این ذرات ارائه شده است. برای مثال، فیزیکدانان در تلاش‌اند که این ذرات را در شتاب‌دهنده‌های ذرات بازتولید کنند یا انرژی‌ای را که این ذرات هنگام برخورد با ماده معمولی آزاد می‌کنند، شکار کنند.

همچنین، کشف جرم نوترینو، هرچند بسیار کم، این ذره را گزینه مناسبی برای آشکارکردن دست‌کم بخشی از ماده تاریک می‌کند و تا حدی می‌تواند جرم اضافی خوشه‌های کهکشانی و ابرخوشه‌ها را توضیح دهد، هرچند همچنان درباره جرم اضافی کهکشان‌های منفرد چیزی برای نمایش ندارد. 

به‌هررو، تا به امروز، هیچ آزمایشی برای تشخیص مستقیم ماده تاریک قطعی نشده است. اما انرژی تاریک چطور؟

انرژی تاریک

انرژی تاریک شکل ناشناخته‌ای از انرژی است که همه عالم را به‌صورت فرضی در بر می‌گیرد و باعث افزایش سرعت انبساط جهان می‌شود و بنابراین، پذیرفته‌شده‌ترین فرضیه‌ای است که می‌تواند درباره یافته‌های اخیری که تایید می‌کنند عالم با ضرب‌آهنگی روبه‌رشد و با شتابی ثابت درحال انبساط است توضیح دهد.

جوردانو برونو، دانشمند ایتالیایی سده شانزدهم میلادی فرضیه‌ای را به‌نام عالم ایستا درباره کیهان ارائه کرد که تا اوایل قرن بیستم میلادی پذیرفته مانده بود. این فرضیه بیان می‌کرد که عالم، هم از نظر فضایی و هم از نظر زمانی بی‌نهایت است و فضا نه در‌حال انبساط است و نه انقباض. چنین عالمی، تخت است و خمش فضایی ندارد. بر خلاف این مدل، سال ۱۹۱۷ اینشتین در نسبیت عام، عالمی را معرفی کرد که از نظر زمانی بی‌نهایت و از نظر فضایی متناهی است و برای توجیه این مدل جدید، ثابت کیهانی را ارائه کرد. زیرا اثرات گرانش جدیدی که خودش مطرح کرده بود برخلاف عالم ایستا، عالمی پویا را نشان می‌داد که در اثر گرانش یا درحال انقباض و فروپاشی بود یا انبساط و گسترش.

پس اینشتین به‌منظور خنثی‌کردن اثرات این گرانش و به‌خصوص به‌منظور جلوگیری از فرضیه فروپاشی گرانشی، در معادلات میدان نسبیت عام، ثابت کیهانی معروفش را وارد کرد که از نظر کیفی شبیه به یک نیروی پادگرانشی در مقیاس بزرگ بود و می‌توانست با نیروی گرانشی مقابله کند و عالم را در وضعیتی پایدار و ایستا، آن‌گونه که در آن‌زمان پذیرفته شده بود حفظ کند.

اما ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ متوجه شد که جهان درحال انبساط مداوم است و این‌گونه اینشتین متقاعد شد که این ایده‌اش را پس بگیرد و آن را «بزرگ‌ترین اشتباه من» بخواند و ثابت کیهانی را از معادلاتش حذف کند. ازسویی دیگر، با توسعه نظریه کوانتومی ماده بین دهه‌های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰، مشخص شد که حتی خلاء هم انرژی کاملا مشخص خودش را دارد که مقدارش را جفت‌های ذرات و پادذراتی که پیوسته تشکیل می‌شوند و از بین می‌روند تعیین می‌کند.

ازاین‌رو، اگر امروز، فردا، یک میلیون سال یا یک میلیارد سال دیگر کهکشان‌ها را رصد کنیم، درمی‌یابیم که آن‌ها از هم دور می‌شوند، اما نه به این‌معنی که آن‌ها به‌طور فیزیکی در فضا حرکت می‌کنند، بلکه به‌این‌معنا که این خود فضای بین آن‌ها است که گسترش می‌یابد.

بازگشت ثابت کیهان‌شناسی

براساس نظریه گسترش عالم، پس‌از مهبانگ، انبساط سریع فضا رخ داد. باوجوداین، با توجه به اینکه داخل این فضا ماده وجود دارد و ماده نیروی گرانشی پرجاذبه‌ای ایجاد می‌کند، پس باید این‌طور نتیجه گرفت که عالم به کاهش سرعت انبساط تمایل دارد و از جایی به بعد، سرعت گسترش عالم آهسته‌تر شده است. در اینجا باید پرسید که آیا درنهایت این سرعت به نقطه توقف می‌رسد یا تا بی‌نهایت بدون توقف به کندی ادامه می‌یابد؟

برای یافتن پاسخی برای این سوال، سال ۱۹۹۸ گروهی از اخترشناشان شروع به محاسبه مقدار روند کاهش سرعت انبساط عالم کردند که برای مثال کشف کنند انبساط امروزی چقدر کندتر از یک میلیارد سال پیش است؟ 

و جوابی که برای آن یافتند نتیجه‌ای کاملا شگفت‌انگیز و غیرمنتظره بود که نشان می‌داد: سرعت گسترش فضا درحال افزایش است نه کاهش و امروز سریع‌تر از یک میلیارد سال پیش است. اما هیچ نظریه علمی وجود نداشت که بتواند دلیل این اتفاق را توجیه کند و مطلقاً هیچ کس نمی‌توانست آن را پیش‌بینی کند؛ بنابراین به چیزی نیاز بود که این نتیجه را توضیح دهد.

برای این توضیح اساسا دو گزینه وجود دارد: یا گرانش آن‌طورکه ما فکر می‌کنیم کار نمی‌کند یا نیرویی وجود دارد که تاکنون آن را در نظر نگرفته‌ایم و درحقیقت همین نیرو است که اجازه این شتاب را می‌دهد. فیزیکدانان، باتوجه به دقت بالایی که پیشتر نسبیت عام را تایید کرده بود، گزینه دوم را انتخاب کردند و آن نیرو را نوعی انرژی کاملاً متفاوت با هر چیزی که می‌شناسیم در نظر گرفتند و آن را انرژی تاریک نامیدند که بیش‌از ۶۸درصد عالم را تشکیل می‌دهد و علت مستقیم افزایش سرعت انبساط است؛ و به‌این‌ترتیب، شکل اصلاح‌شده‌ای از ثابت کیهان‌شناسی را بار دیگر به معادلات میدان اینشتین وارد کردند که درباره عالم شتاب‌دار توضیح می‌دهد. امروزه، نسخه اصلاح‌شده ثابت کیهان‌شناسی یا ثابت کیهانی یکی از مدل‌های انرژی تاریک است و نشان می‌دهد چگالی انرژی ثابتی وجود دارد که به‌طور همگن عالم را پر می‌کند. این ثابت کیهانی معادل حضور انرژی خلاء فقط به شیوه‌ای مثبت است که همان «انرژی تاریک» نامیده می‌شود و توضیح می‌دهد که عالم کنونی با روندی شتاب‌دار منبسط می‌شود و روند انبساطش هم درحال سرعت‌گرفتن است.

منبع: آنا