ارائه فرضیه‌ای جدید که رفتارهای ماده تاریک را به خوبی توجیه می‌کند

گفته می‌شود ماده‌ی تاریک حدود ۸۵ درصد از تمام جرم موجود در جهان هستی را تشکیل داده است و با این حال، فیزیکدانان هنوز هیچ ایده‌ی دقیقی در مورد ماهیت ماده‌ی تاریک ندارند.

اما اکنون به نظر می‌رسد که یک فرضیه‌ی جدید در مورد ماده‌ی تاریک، ما را یک گام به درک هویت دقیق آن نزدیک‌تر کند؛ زیرا فیزیکدانان در حال حاضر چنین گمان می‌کنند که ماده‌ی تاریک در تمام این مدتی که ما در پی آن بوده‌ایم، در حال تغییر بوده است. این تغییر می‌توانسته از ذرات شبح مانندی در بزرگ‌ترین ساختارهای جهان هستی تا حالت‌های عجیبی از مواد فراسیال در مقیاس‌های کوچک‌تر بوده باشد. این امکان هم وجود دارد که ما در آینده‌ی نزدیک بتوانیم ابزارهای لازم برای تأیید چنین پنداری را به دست آوریم.

ماده‌ی تاریک یک ماده‌ی فرضی بود که برای نخستین بار، یک قرن پیش و برای توجیه کردن عدم تعادل آشکاری ارائه شد که میان مقادیر ماده‌ی موجود در جهان هستی با میزان گرانش نگه‌دارنده‌ی کهکشان‌ها در کنار هم وجود داشت.

ما نمی‌توانیم ماده‌ی تاریک را به‌طور مستقیم تشخیص دهیم؛ اما می‌توانیم تأثیر آن را بر تمامی پدیده‌های اطرافمان ببینیم. در واقع نحوه‌ی دوران کردن کهکشان‌ها و همچنین طریقه‌ی خمیده شدن نور در هنگام پیمایش آن در میان جهان هستی، نشان می‌دهد که مقدار ماده‌ و جرم موجود در آن نواحی بسیار بیشتر از آنی است که ما می‌توانیم در رؤیت‌های کنونی‌مان ببینیم.

اکنون دو فیزیکدان به‌تازگی این پیشنهاد را مطرح کرده‌اند که ماده‌ی تاریک در تمام مدتی که ما به دنبالش بوده‌ایم، در حال تغییر در قوانین خود بوده است و شاید همین توجیه بتواند دلیلی برای گریزانی و دیرفهمی بیش از حد این ماده باشد. تیم تِیت، متخصص فیزیک ذرات از دانشگاه کالیفرنیا اروین که در این بررسی‌های اخیر نقشی ندارد، می‌گوید:

ایده‌ی شسته و رفته‌ای است. شما به این نتیجه رسیده‌اید که باید دو نوع گوناگون از ماده‌ی تاریک داشته باشید که توسط یک اصل مشترک توضیح داده می‌شوند.

دیدگاه سنتی در مورد ماده‌ی تاریک این است که از ذراتی با سطوح برهم‌کنش پایین از قبیل اکسیون‌ها ساخته شده است و این ذرات به نحوی تحت تأثیر نیروی گرانش قرار می‌‌گیرند که ما می‌توانیم تأثیرات آن را در مقیاس‌ها بزرگ‌ هم ببینیم.

چنین فرم سردی از ماده‌ی تاریک می‌تواند برای پیش‌بینی چگونگی رفتار خوشه‌های کهکشانی عظیم و ثقیل به کار رود و همچنین با چیزهایی که ما در مورد شبکه‌ی کیهانی می‌دانیم، کاملا سازگار است. دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که تمامی کهکشان‌ها در قالب یک شبکه‌ی گسترده‌ی میان‌کهکشانی با همدیگر همبسته شده‌اند و همگی در کنار هم باعث تشکیل افروزه‌های نامرئی از ماده‌ی تاریک می‌شوند.

اما وقتی که ما در مقیاسی کوچک‌تر و روی کهکشان‌های منفرد و همچنین طریقه‌ی چرخش ستاره‌های آن‌ها پیرامون مرکز کهکشان‌ها دقیق‌تر می‌شویم، آنگاه متوجه می‌شویم که اصطلاحا یک جای کار می‌لنگد و ایرادی در کارمان وجود دارد. جاستین خوری، فیزیکدان از دانشگاه پنسیلوانیا، در یک گفتگوی مطبوعاتی می‌گوید:

بیشتر جرم موجود در جهان هستی، ماده‌ی تاریک است و از محل‌هایی که بیشترین میزان ماده‌ی معمولی در آن‌ها قرار گرفته، مجزا شده است. در مقیاسی به بزرگی یک شبکه‌ی کیهانی، چنین برداشتی کاملا با مشاهدات ما سازگار است. در مقیاس یک خوشه‌ی کهکشانی هم این نگرش به‌خوبی جواب می‌دهد. با این وجود در مقیاس کهکشان‌ها و داخل آن‌ها، این برداشت سازگار نیست.

خوری و همکارش، لاشا برژیانی که اکنون در دانشگاه پرینستون فعالیت دارد، پیشنهاد می‌کنند دلیل آنکه ما نمی‌توانیم رفتار ماده‌ی تاریک را در هر دو مقیاس بزرگ و کوچک در جهان هستی با هم تطبیق دهیم، این است که ماده‌ی تاریک می‌تواند تغییر فُرم دهد.

ما ذرات سرد ماده‌ی تاریک را برای خوشه‌های عظیم کهکشانی در ذهن داریم؛ اما در مقیاس کهکشان منفرد، آن‌ها پیشنهاد می‌دهند که ماده‌ی تاریک وارد یک حالت فراسیال یا ابرشاره (Superfluid)‌ می‌شود.

ابرشاره به‌عنوان یک حالت سرد و چگال از ماده‌ی فشرده تعریف می‌شود که میزان گران‌روی و همسایش آن صفر است و می‌تواند گاهی اوقات به یک چگال بوز-انیشتین بدل شود؛ چیزی که از آن به‌عنوان حالت پنجم ماده یاد می‌کنند.

در کنار شگفتی ذاتی ابرشاره‌ها، یک امر عجیب دیگر هم در جریان است. واقعیت این است که ابرشاره‌ها نسبت به زمان‌ها گذشته بیشتر دیده می‌شوند و دسترسی به آن‌ها هم راحت‌تر است. در همین راستا، پژوهشگران هفته‌ی گذشته اعلام کردند موفق به ایجاد نوعی نور شده‌اند که می‌تواند در دمای اتاق همانند مایعات عمل کند (چنین پدیده‌ای در واقع نوعی فراسیال است) و این اتفاق برای نخستین بار در دوران ما رخ افتاده است.

هر قدر که دانش ما از ابرشاره‌ها بیشتر می‌شود، به همان اندازه‌ فیزیکدانان تمایل بیشتری به داشتن این ایده پیدا می‌کنند که ابرشاره‌ها می‌توانند بسیار بیشتر و متداول‌تر از آن مقداری باشند که ما پیش‌تر تصور می‌کرده‌ایم. جنیفر اُولِت در توضیح خود برای مجله‌ی کوانتامی‌گوید:

به‌تازگی، فیزیکدانان بیشتری به نگرش مرتبط با احتمال تشکیل شدن حالت‌های فراسیالی به‌طور طبیعی در شرایط بحرانی فضا، تمایل نشان داده‌اند.

ابرشاره‌ها ممکن است درون ستاره‌های نوترونی وجود داشته باشند و برخی از پژوهشگران چنین می‌پندارند که خود فضا-زمان هم شاید یک ابرشاره‌ است. اگر به‌راستی چنین باشد، پس چرا خود ماده‌ی تاریک هم نتواند (یا نباید) دارای یک حالت (فاز) ابرشاره‌ باشد؟

ایده‌ی آن‌ها این است که هاله‌های ماده‌ی تاریکی که پیرامون کهکشان‌های منفرد وجود دارند، شرایط لازم برای شکل گرفتن ابرشاره‌ را ایجاد می‌کنند. کشش گرانشی کهکشان به‌نوعی تضمین می‌کند که این پدیده به‌صورت چگال در هم فشرده شده است و از سویی هم سردی فضا باعث پایین نگه داشته شدن دما به مقدار مناسب می‌شود.

اکنون اندکی از مقیاس بزرگ‌تر نگاه می‌کنیم؛ در اینجا، کشش گرانشی یادشده برای تشکیل دادن حالتی از ابرشاره‌، بسیار ضعیف می‌شود.

کلید حل مشکل در این است که وجود ماده‌ی تاریک ابرشاره‌‌ای، می‌تواند رفتار عجیب کهکشان‌های منفرد را به‌خوبی توضیح دهد؛ چیزی که گرانش به‌تنهایی قادر به انجامش نیست. ماده‌ی تاریک ابرشاره‌‌ای می‌تواند ایجادکننده‌ی نوعی نیروی ثانویه (که هنوز شناسایی هم نشده است) باشد که درون هاله‌های ماده‌ی تاریک پیرامون خود، همانند گرانش عمل می‌کند.

بر پایه‌ی توضیح اولت، هنگامی که شما یک میدان الکتریکی را آشفته می‌سازید، امواج رادیویی دریافت می‌کنید و هنگامی هم که یک میدان گرانشی را آشفته می‌کنید، امواج گرانشی به دست می‌آورید. اما هنگامی که یک ابرشاره‌ را آشفته می‌کنید چه می‌شود؟ پاسخ این است که شما فونون (امواج صوتی) به دست می‌آورید و همین نیروی افزوده می‌تواند در کنار گرانش کارکرد داشته باشد. خوری همچنین توضیح داده است:

چنین رویدادی خوب است، زیرا شما یک نیروی اضافه هم فراتر از گرانش دارید؛ اما این نیرو به‌طور ذاتی به ماده‌ی تاریک مرتبط است. در واقع احتمال می‌رود که وجود یک ویژگی خاص در ماده‌ی تاریک، باعث شکل گرفتن این نیرو شده باشد.

البته باید تأکید کنیم که فرضیه‌ی اخیر باید فعلا بررسی شود. بنابراین هر آنچه در اینجا توضیح دادیم، در حال حاضر در محدوده‌ی فرضیات است و هیچ تئوری قطعی ارائه نشده است. اما نسخه‌ی اولیه‌ی پژوهش در این لینک قابل دسترسی است تا پژوهشگران مرتبط با آن حوزه بتوانند کار بیشتری روی آن صورت دهند.

یکی دیگر از نکات قابل توجهی که این نگرش باعث تأمل بیشتر روی آن می‌شود، مربوط به دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده یا MOND است. این تئوری بیان می‌کند که ما برای به حساب آوردن برخی خاصیت‌های مشاهده‌شده در کهکشان‌ها، نیاز به ایجاد تغییر در قوانین نیوتون داریم. گروه پژوهشی در نشست مطبوعاتی خود اشاره کردند:

در کهکشان‌ها، حرکات فراسیالی از ماده‌ی تاریک وجود دارد و MOND هم در آن‌ها سازگار است. با این حال، در خوشه‌های کهکشانی، هیچ نوع حرکت ابرشاره‌‌ای وجود ندارد و بنابراین MOND در آن نواحی صادق نیست.

ما باید صبر کنیم تا ببینیم که سرانجام این فرضیه به کجا خواهد رسید؛ اما خوری و برژیانی باور دارند که به روش‌هایی واقعی و قابل آزمایش نزدیک شده‌اند که ما با استفاده از آن‌ها قادر خواهیم بود تا پیش‌بینی‌های این دانشمندان در خصوص ماده‌ی تاریک از نوع ابرشاره‌‌ای را تأیید کنیم.

اگر صحت پیش‌بینی‌های آن‌ها اثبات شود، در آن صورت می‌توان گفت ما پس از سال‌ها توانسته‌ایم به یافته‌هایی برسیم که در گشایش گره از معمای جرم زیاد کیهانی کارساز بوده باشد.