ماده تاریک و انرژی تاریک چیست؟

اگر در دهه گذشته اخبار علمی زیادی خوانده باشید، احتمالاً با مفاهیم ماده تاریک و انرژی تاریک روبه‌رو شده‌اید. این اصطلاحات مرموز ممکن است در یک فیلم هالیوودی متداول به نظر برسند، اما در واقع پایه تحقیقات علمی هستند.

می‌توان به دهه ۱۹۲۰ برگشت و سابقه ماده تاریک را پیگیری کرد و انرژی تاریک ریشه در نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین دارد.

و اینها بازیگران اصلی در جهان ما هستند!

شواهد فعلی نشان می‌دهد که ماده تاریک حدود ۲۵ درصد از جهان را تشکیل می‌دهد و انرژی تاریک اکثریت جهان، یعنی حدود ۷۰ درصد را، تشکیل می‌دهد. (برای درک بهتر این درصدها به این نکته توجه کنید که ماده و انرژی قابل تبدیل به یکدیگر هستند!)

“ماده” نرمال که همه ما می‌توانیم ببینیم و لمس کنیم، فقط ۵ درصد کیهان است، که اهمیت علم پشت این پدیده‌های تاریک را نشان می‌دهد!

اما با اینکه ۹۵ درصد از جهان از این‌ها تشکیل می‌شود، واقعاً ماده تاریک و انرژی تاریک چه چیزی هستند؟

ماده تاریک: ماده نامرئی که سرعت کهکشان‌های ما را افزایش می‌دهد

ماده تاریک ساده‌ترین موضوع برای توضیح است، اما این توضیح مایوس‌کننده است زیرا هنوز هم از دست محققان فرار می‌کند.

برای ما “نامرئی” است، به این معنی که تشعشع با آن تعامل ندارد، اگرچه تحت تأثیر گرانش قرار می‌گیرد.

هورست فیشر (پژوهشگر در آزمایش تلسکوپ خورشیدی CERN) می‎‌گوید: “ماده تاریک چیزی مرموز است و ما هیچ ایده‌ای نداریم تا زمانی که کشف شود.”

شواهدی که نشان از وجود ماده نامرئی در فضا دارد، بیشتر از تعامل این ماده با گرانش می‌آید.

ما از مشاهدات می‌دانیم که کهکشان‌ها می‌چرخند، و فیزیک به ما می‌گوید که ستاره‌های دورتر از مرکز یک کهکشان باید با سرعت کمتری در مدارهای خود حرکت کنند.

با این حال، کهکشان‌هایی که مشاهده می‌کنیم این قانون را دنبال نمی‌کنند! زیرا ستارگان خارجی به همان سرعتی که نزدیک‌ترین‌ها حرکت می‌کنند حرکت می‌کنند! همچنین نرخ گردش آن‌ها به دور مرکز کهکشان به این معنی است که ستاره خارجی باید به علت مدار ناپایدارش به فضا پرتاب شود.

ماده تاریک با اضافه کردن جرم پنهان این مشکل را حل می‌کند!

در واقع، دانشمندان می‌توانند مشخص کنند که ماده تاریک در کجای ساختار کهکشان تجمع دارد، با محاسبه جایی که نیاز به جرم اضافی است.

شواهد دیگر نیز از یک استدلال مشابه به دست می‌آیند.

نور به دلیل نیروهای گرانشی قوی خم می‌شود و با تشخیص اینکه چقدر نور دور دیده شده کهکشان‌ها جابجا شده است، دانشمندان جرم بیشتری را نسبت به چیزی که در تلسکوپ‌های معمولی می‌بینیم پیش‌بینی می‌کنند.

حتی خوشه‌های کهکشانی نیاز به شبکه‌ی ماده تاریکی به دور خود دارند تا ساختار آنها را توضیح دهد.

نتیجه این است که اکثر دانشمندان وجود ماده تاریک را قبول می‌کنند، اما این موضوع سوال برانگیز است که از چه چیزی تشکیل شده است.

پاسخ خیلی ساده است! هنوز نمی‌دانیم.

هورست فیشر می‌گوید: در حدود ۳ سانتیمتر مکعب، جرم ماده تاریک معادل جرم یک پروتون را خواهید داشت. ماده تاریک بسیار چگال است و بنابراین عجیب است که هنوز آن را کشف نکرده‌ایم.”

نامزدهای این ماده مرموز ذرات فوق متقارن هستند، مانند ذرات جرمی تعاملی ضعیف (WIMPs) یا ذرات فرضی دیگر مانند آکسیون‌ها یا نوترینوهای بی‌جنس.

هیچ یک از اینها هنوز کشف نشده‌اند، اما به طور نظری ویژگی‌هایی دارند که با ماده تاریک همخوانی دارند.

یک پیشنهاد جدیدتر این نظریه را مطرح می‌کند که ماده تاریک بین مراحل در مقیاس‌های اندازه‌های مختلف، از ذرات به ابر سیال، «شکل‌دهی» می‌کند، و به همین دلیل است که شناسایی آن بسیار دشوار است.

اگرچه این یک فرضیه جذاب است، اما هنوز تا اثبات کمی فاصله دارد.

انرژی تاریک: ماده عجیبی که فضا را کش می‌دهد.

ماده تاریک ممکن است کمی وحشتناک به نظر برسد، اما در مقابل انرژی تاریک چیزی نیست.

انرژی تاریک نامی است که به یک میدان احتمالی می‌دهیم که به نظر می‌رسد در فضا نفوذ می‌کند و شتابی در گسترش جهان ایجاد می‌کند.

به عبارت دیگر، انرژی تاریک باعث انبساط خود فضا است.

گرانش یک نیروی جذاب است و با وجود جرم موجود در سراسر فضا، بسیاری از دانشمندان در ابتدا باور داشتند که جهان در نهایت به دلیل نیروی گرانشی که اجسام پرجرم به آن اعمال می‌کنند، گسترش (انبساط) خود را متوقف خواهد کرد.

اما در دهه ۱۹۹۰، مشاهدات سوپرنواختر نوع la نشان داد که عکس اتفاق می‌افتد و سرعت انبساط جهان در حال افزایش است.

این نشان می‌دهد که یک اثر عجیب در جریان است.

جاش فریمن (مدیر برنامه مطالعات انرژی تاریک و دانشمند ارشد در مرکز فرمیلب) می‌گوید: “جهان کاملاً یکدست نیست؛ جرم بیشتری در اینجا وجود دارد نسبت به آنجا و این توده در طول زمان به دلیل گرانش تغییر می‌کند. نگاه به تکامل آن توده در طول زمان کیهانی، یک روش خوب برای درک تاثیر جنگ کیهانی بین انرژی تاریک، که مواد را از هم جدا می کند، و گرانش، که مواد را به سمت هم می‌کشد، است.”

نظریه‌های مرتبط با انرژی تاریک متنوع هستند

ساده‌ترین آن به آلبرت انیشتین و ثابت کیهانی او بازمی‌گردد.

این ثابت در نظریه نسبیت عام، به منظور توازن گرانش و حفظ یک جهان ثابت (که نه در حال انبساط و نه اقباض است) در نظر گرفته شد، اما انیشتین آن را زمانی که ستاره‌شناس آمریکایی ادوین هابل کشف کرد که جهان در حال گسترش است، رد کرد.

به عنوان یک نامزد برای انرژی تاریک، ثابت کیهانی یک میدان انرژی ثابت است که فضا را به طور یکنواخت پر می‌کند، اما مشاهده‌ها با مدل‌ها همخوانی ندارد.

نظریه میدان کوانتومی یک انرژی خلاء پیش‌بینی می‌کند که ممکن است معادل ثابت کیهانی باشد.

با این حال، محاسبات این انرژی ۱۲۰ مرتبه با بزرگترین تأثیر مشاهده‌شده تفاوت دارد، یک تفاوت عظیم که دانشمندان می‌بایست آن را توضیح دهند.

بعضی‌ها معتقدند که انرژی تاریک در طول زمان تغییر می‌کند؛ که این یک اثر ثابت نیست.

این میدان انرژی تاریک گاهی با عنوان “کوینتسنس” نامیده می‌شود و ممکن است یک همزاد سبکتر از بوزون هیگز باشد.

این نظریه، با توجه به تکامل “کوینتسنس”، می‌تواند پیش‌بینی کند چگونه جهان به پایان خواهد رسید.

فرضیه‌هایی که سعی در حذف انرژی تاریک دارند، معمولاً بر تئوری‌های اصلاحی گرانش تکیه می‌کنند. آن‌ها می‌توانند به صورت ریاضی حل شوند اما  نمی‌توانند تمام پدیده‌های مشاهده‌شده را توضیح دهند.

بعضی نظریه‌ها حتی فرض می‌کنند که شتاب گسترش جهان حقیقت ندارد و به علت حرکت نسبی یا چگالی کمتر فضا در خوشه کهکشانی محلی ما، یک وهم است.

فریمن می‌گوید: “به طور کلی، ما بسیار از اصطلاح انرژی تاریک استفاده می‌کنیم اما در واقع حتی نمی‌دانیم آیا انرژی تاریک باعث سرعت بخشیدن به گسترش جهان است. ممکن است به این برگردد که ما درک درستی از گرانش نداریم. اینکه اتفاقی برای گرانش در مقیاس‌های بزرگتر از جهان رخ می‌دهد که رفتار آن را تغییر می‌دهد و این ممکن است باعث شتاب گشترش کیهانی شود.”

آیا ما در تاریکی محض دست و پا می‌زنیم؟

کارهای بسیاری باقی مانده است تا انرژی تاریک و ماده تاریک را به طور کامل درک کنیم.

اگر چه این دو اغلب به عنوان مواد متمایز بحث می‌شوند، اما افرادی وجود دارند که به ارتباطات ممکن بین این دو نگاه می‌کنند.

شاید ماده تاریک به انرژی تاریک تجزیه شود، یا هر دو دارای یک منشأ مشترک باشند.

حتی ممکن است آن‌ها نمایانگر ذراتی با سرعت بالاتر از نور به نام تاکیون باشند.

ماده تاریک ممکن است به ما بگوید چگونه جهان آغاز شد و حتی سرنوشت کیهان ممکن است توسط انرژی تاریک تعیین شود.

هر چند، احتمالاً در آینده درباره ماده تاریک و انرژی تاریک بیشتر خواهید شنید! امیدواریم که نور بیشتری بر روی آنها تابیده شود!

منبع: skyatnightmagazine.com