تاریخچه ماده تاریک و بررسی آن (بخش دوم و پایانی)

تاریخچه ماده تاریک و بررسی آن (بخش دوم و پایانی)

روز گذشته قسمت اول از مقاله‌ی تاریخچه‌ی ماده‌ی تاریک را برای شما آماده کردیم؛ اما اکنون با بازدید ایده و قسمت دوم و پایانی این مقاله همراه باشید.

ورود فیزیک ذرات به دنیای علم

اجرام هاله‌ای چگال و فشرده یا MACHO‌ها (مانند کوتوله‌ها‌ی قهوه‌ای و سیاه‌چاله‌ها) زمانی برای توضیح ماده‌ی تاریک مورد استناد قرار می‌گرفتند؛ اما آن‌ها به تدریج پس از صورت گرفتن چند مشاهده‌ی مهم از درجه‌ی اعتبار ساقط شدند. داده‌های به دست آمده از پروژه‌ی EROS در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی پیشنهاد می‌کرد که شمار MACHOها به اندازه‌ی کافی برای احتساب تمامی جرم مورد نیاز در محاسبات، زیاد نبودند. علاوه بر این، مشاهدات دیگر نشان دادند که اثر گرانشی ماده‌ی تاریک در مکان‌هایی رخ داده بود که این اجرام هاله‌ای چگال و فشرده در آنجا وجود نداشتند. گفتنی است که MACHO ها در لبه‌های بیرونی‌تر کهکشان‌ها واقع می‌شوند.

با کنار رفتن اجرام معمولی از میان گزینه‌های پیش روی دانشمندان، یک مورد نامعمول در حال گسترش و معطوف ساختن توجهات به سوی خود بود. در واقع یک دوگانه‌ی مهم در حال شکل‌گیری بود: فیزیک‌دانان فعال در حوزه‌ی ذرات و اخترفیزیک‌دانان. قبل از ماده‌ی تاریک، این دو گروه واقعا زمینه‌ی کمی برای انجام همکاری با یکدیگر داشتند. در واقع، زمانی که آزمایشگاه فرمی (Fermilab)، گروه فیزیک نجومی تئوری خود را در سال ۱۹۸۳ ایجاد کرد، بسیاری از دانشمندان به این سوال فکر می‌کرند که پژوهش‌های مرتبط با فیزیک ذرات به چه طریقی می‌تواند به فیزیک نجومی کمک کند؟ اما در نیمه‌ی دوم دهه‌ی ۱۹۸۰ میلادی، این ایده که ماده‌ی تاریک از ذرات زیراتمی کشف‌نشده تا به امروز ساخته شده‌ است، قوت گرفت. همین امر از آن زمان تا به امروز باعث همکاری‌های هر چه بیشتر دانشمندان فعال در زمینه‌ی فیزیک ذرات با فیزیک نجومی شده است.

این همکار‌ی‌ها باعث شکل گرفتن چندین ایده شد: یک ایده این بود که شاید ماده‌ی تاریک از نظر الکتریکی خنثی بوده و از نوترینوهایی با برهم‌کنش ضعیف تشکیل شده است؛ یا شاید هم از اکسیون‌های بسیار سبکی که به صورت یک فرضیه‌ مطرح هستند، ساخته شده باشد. ایده‌ی دیگری که به ذهن می‌رسید، این بود که شاید این ماده از بعضی از ذرات ابرمتقارن سبکی ساخته شده باشد که دانشمندان هنوز آن‌ها را کشف نکرده‌اند. در کوتاه مدت، دانشمندان به جای جستجو به دنبال MACHOها، شروع به جستجو به دنبال WIMP‌ها کردند. ویمپ‌ها به ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف اطلاق می‌شود.

چه با گرایش به MACHO و چه با گرایش به WIMP، به هر سوی دانشمندان روی این موضوع مردد ماندند که آیا اصلا تلاش و جستجو برای ماده‌ی تاریک معقول است یا خیر؟ برخی از آن‌ها پینشهاد کردند که شاید تئوری گرانشی که ما به آن تکیه می‌کنیم، نادرست بوده باشد. یک نظریه‌ی تغییر یافته از گرانش می‌تواند داده‌های غیر معمول روبین را بدون نیاز به وجود ذرات یا ماده‌ی جدیدی توضیح دهد. یکی از گزینه‌های جایگزین مهمی که برای ماده‌ی تاریک وجود دارد پدیده‌ی MOND است. این اصطلاح در واقع کوتاه شده‌ی عبارت دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده است. با این حال دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند نسخه‌ای از MOND را کشف کنند که به زیبایی و سادگی بتواند اثرات گرانشی مشاهده‌شده را توضیح دهد.

کیهان‌شناسی دقیق و آزمایش COBE در سال ۱۹۹۲

در پایان دهه‌ی ۱۹۸۰، شمار بیشتر و بیشتری از دانشمندان این ایده را پذیرفتند که بخش عمده‌ی جرم موجود در جهان شامل ماده‌ی تاریک سرد (در حال حرکت به طور آهسته) است و آزمایش‌های انجام شده در چند دهه‌ی آینده هم از این دیدگاه، پشتیبانی کردند.

یکی از بزرگ‌ترین آزمایش‌هایی که بعدتر در این باره انجام شد، زمانی بود که جان ماتر (John Mather) و جرج اسموت (George Smoot)یک دوره‌ی جدید از کیهان‌شناسی را در دهه‌ی ۱۹۹۰ با کار خود را روی کاوشگر تابش‌های پس‌زمینه‌ی کیهانی آغاز کردند. تابش‌های زمینه‌ی کیهانی (CMB) در اصل به تابش‌های باقی مانده پس از انفجار بزرگ اطلاق می‌شود و می‌توانند شواهدی را در مورد وضعیت جهان در مراحل اولیه‌ی پیدایش خود ارائه دهند. داده‌های قبلی نشان داده بود که تابش زمینه‌ی کیهانی حتی یکنواختی کیهان را در مقیاس بزرگ بازتاب می‌دهند. اما در مقیاس‌های کمی کوچکتر، جهان به صورت نایکنواخت بوده است؛ با حفره‌ی بزرگ و توده‌ای بزرگ از کهکشان. انبساط کیهان یکی از دلایل ممکن برای این پدیده بود. بر این اساس اگر جهان در مراحل اولیه‌ی پیدایش خود دارای نوسانات کوانتومی کوچک بوده باشد، در آن صورت این نوسانات می‌توانسته‌اند در هنگام انبساط کیهان در لحظات پس از انفجار بزرگ به صورت نمایی، به مقدار زیادی افزایش یافته باشند و در نهایت نیز به درجه‌ای از نایکنواختی رسیده باشند که امروزه مشاهده می‌کنیم.

برای پیدا کردن شواهدی از این روند، ماتر، اسموت و تیم آن‌ها تلاش خود را برای پیدا کردن نوسانات کوچک در تابش زمینه کیهانی شروع کردند. در سال ۱۹۹۲، تیم COBE اعلام کرد که آن‌ها توانسته‌اند نوسانات دمایی کوچکی را فقط در یک بخش از صدهزار بخش پیدا کنند که در واقع همان نوسانات باقی‌مانده کیهان در لحظات اولیه‌ی پیدایش خود و پیش از آغاز انبساط بوده‌اند. به این ترتیب دوره‌ی جدیدی از کیهان‌شناسی دقیق متولد شد.

تریسی اسلاتیر، استادیار بخش فیزیک در دانشگاه MIT، به طور گسترده داده‌های اخترفیزیکی به دست آمده از تابش زمینه‌ی کیهانی را مطالعه کرده است. او در این باره باور دارد که ظهور کیهان‌شناسی دقیق در دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی به پا گرفتن ایده‌هایی کمک کرد که بر پایه‌ی آن‌ها گفته می‌شد که ماده‌ی تاریک به جای پدیده‌های احتمالی همچون MOND، در توجیه و تحلیل داده‌های ناشناخته و عجیبی نقش دارند که بعضی دانشمندان به آن‌ها پی برده‌اند.

دلیل برداشت فوق هم این است که به منظور سازگاری نظریه‌ی انبساط کیهان با داده‌های جدید به دست آمده در مورد تابش زمینه‌ی کیهانی، جهان هستی باید مقدار جرمی بسیار بیشتر از آن جرمی داشته باشد که به وسیله‌ی مواد مرئی موجود شناخته شده فراهم می‌شود. بدون این جرم، ساختارهای عظیم دیده شده در جهانِ در حال گسترش امروز، زمان کافی را برای پیدایش و توسعه به این شکل به دست نمی‌آوردند؛ اما یک مطالعه‌ی جدید در ادامه می‌تواند شواهد مستدلی را درباره‌ی ماده‌ی تاریک و چگونگی برهم‌کنش آن با ماده‌ی مرئی در اختیار بگذارد.

 خوشه‌ی گلوله‌ای

 در سال ۲۰۰۶، دانشمندان دانشگاه هاروارد به موردی دیدنی و جالب از طریق تلسکوپ چاندرا پی بردند:  دو خوشه‌ی کهکشانی در حال تصادم با یکدیگر بودند. برخورد این دو خوشه، توده‌هایی از ماده‌ی مرئی و نامرئی را بر جای گذاشت که نیاز به تجزیه و تحلیل توسط دانشمندان داشتند. اینجا به چگونگی کارکرد پدیده‌ی فوق می‌پردازیم. انیمیشن کوتاه زیر می‌تواند به درک بهتر موضوع کمک کند:

پس از وقوع برخورد، کهکشان‌ها در لبه‌های دورتر واقع شدند که در اینجا با رنگ هاله‌ی آبی دیده می‌شوند. ابرهای گازی که سرعتشان در اثر برخورد کندتر شده بود نیز در بخش‌های نزدیک‌تر به مرکز قرار گرفته‌اند و پرتوهای ایکس را متساطع می‌کنند و این محل در واقع جایی است که بیشتر ماده‌ی مرئی نیز در آن به اتمام می‌رسد. پرسش این است که ماده‌ی تاریک پس از برخورد کجا رفته است؟ دانشمندان این فرضیه را مطرح کردند که ماده‌ی تاریک نمی‌تواند با ابرهای گازی برهم‌کنش داشته باشد و به جای آن باید از میان کانون برخورد عبور کرده باشد و در نزدیکی توده‌های آبی خوشه‌های کهکشانی واقع در لبه‌ی دورتر قرار داشته باشد.

این دقیقا همان چیزی است که محققان مشاهده کرده بودند. با استفاده از همگرایی گرانشی، دانشمندان توانستند تعیین کنند که بیشتر ماده‌ی حاصل از تصادم در نزدیکی خوشه‌های کهکشانی واقع شده بود و نه در هاله‌ی قرمز ابرهای گازی که ماده‌ی مرئی را در محل خود داشتند. بنابراین برخورد کهکشانی باعث از هم جدا شدن ماده‌ی تاریک و ماده‌ی قابل مشاهده شده بود و با انجام این کار، دانشمندان این امکان را به دست آورده بودند که شواهدی مشابه شواهد قبلی را مجددا به دست آورد.

این نتایج برای بسیاری از دانشمندان، هرگونه تردیدی را در مورد وجود ماده‌ی تاریک از میان برد. جستجو برای ماده‌ی تاریک آغاز شده بود و امروزه دانشمندان در حال انجام آزمایش‌های ابتکاری متعدد برای پیدا کردن برخی سرنخ‌ها پیرامون چگونگی ساختار این ماده‌ی مرموز هستند.

 جستجوی مدرن: تشخیص توسط پراکندگی

 نوعی از این آزمایش‌ها با هدف شناسایی ذرات ماده‌ی تاریک و برخورد آن‌ها با ذرات آشناتر انجام می‌شود. دو مورد از بهترین و شناخته‌شده‌ترین ابتکاراتی که از این نوع صورت گرفته‌اند، به نام‌های LUX و زنون (XENON) شناخته می‌شوند. در هر دو آزمایش، پژوهشگران آشکارسازهای بزرگ را با زنون مایع پر می‌کنند. آن‌ها سپس به دنبال سیگنال‌های کوچکی جستجو می‌کنند که در نتیجه‌ی تصادم WIMPها با هسته‌ی اتم زنون حاصل می‌شوند؛ برخوردهایی که باعث انتقال انرژی به اتم و تولید فوتون‌هایی می‌شوند که تجهیزات دانشمندان توانایی تشخیص آن‌ها را دارند. 

تاکنون، دانشمندان موفق به پیدا کردن فوتون‌هایی که در نظر دارند، نشده‌اند؛ هر چند که این آزمایش‌ها به اعمال برخی محدودیت‌ها برای خواص بالقوه ماده‌ی تاریک کمک کرده‌اند.

 النا آپریل (Elena Aprile)، استاد فیزیک در دانشگاه کلمبیا و زنی که آزمایش زنون در رابطه با ماده‌ی تاریک را هدایت می‌کند در گفتگو با پایگاه آرس گفته است که پیدا کردن ماده‌ی تاریک رفته رفته سخت‌تر می‌شود. با اینکه آزمایش زنون چندین بار تکرار شده است و تیم پژوهشی هم در حال تدارک یک آزمایش دیگر با نام XENONnT تا سال ۲۰۱۹ هستند؛ اما هنوز به نشانه‌ای از ذره‌ی WIMP نرسیده‌اند. آپریل در این باره می‌گوید:

واضح است که بسیاری از ما این احساس را داریم که داستان جستجو به دنبال ماده‌ی تاریک در حال رسیدن به یک نتیجه‌گیری است و از طرفی در همان زمان، ما در حال جابه‌جا کردن محدودیت‌هایمان از چگونگی انجام آزمایش خود هستیم. افراد دلبستگی زیادی به ویمپ دارند؟ اما آیا وقت آن است که ایده‌ی آن را کنار بگذاریم؟ این حالتی بسیار خسته‌کننده است.

 با این حال، آپریل مصمم به موفقیت در این کار است. او از گروه خود می‌خواهد که تلاش کنند تا اولین شواهد مستقیم از ذره‌ی ماده‌ی تاریک احتمالی را به دست آورند. وی اظهار می‌کند که به سادگی دست از تلاش نخواهد کشید.

 نابودی و فروپاشی

 جستجوهای دیگر بر این احتمال تمرکز می‌کنند که ذرات ماده‌ی تاریک به همان شیوه‌ای با هم برخورد می‌کنند و منهدم می‌شوند که ما در مواد مرئی می‌بینیم. اگر این فرض درست باشد، پس ما ممکن است قادر به دیدن شواهدی در مناطق متراکم‌تر از ماده‌ی تاریک باشیم؛ مناطقی که در آن برخوردها ممکن است مقادیر فراتری از ذرات پرانرژی مانند پوزیترون را تولید کنند. گفتنی است که پوزیترون‌ها در واقع شریک‌های ضدماده‌ی الکترون هستند.

دانشمندان این مقدار فراتر را از داده‌های به دست آمده از ماهواره‌ی روسی اروپایی پاملا در سال ۲۰۰۸ و برای بار دوم نیز از داده‌های حاصله از طیف‌سنج مغناطیسی آلفا در ایستگاه فضایی بین‌المللی در سال ۲۰۱۳ به دست آوردند. با این حال آن‌ها نتوانستند به طور دقیق مشخص کنند که واقعا این مقدار فراتر آیا واقعا در اثر برخورد ذرات ماده‌ی تاریک حاصل شده است یا اینکه برای مثال مربوط به برخی منابع کمتر شگفت‌انگیز همچون ستاره‌های پلوسار (نوعی ستاره‌ی نوترونی) بوده است. آن‌ها همچنین دریافتند که نشانه‌ی انرژی ذرات مشاهده شده در داده‌های سال ۲۰۱۳، با انتظارات آن‌ها از اینکه ماده تاریک به چه شکلی باید رفتار کند، سازگار نبودند. مناسب نیست. اگرچه این رویداد احتمال اینکه مقادیر اضافی یاد شده به عنوان شواهدی غیرمستقیم از ماده‌ی تاریک باشند را رد نمی‌کند؛ اما باید بپذیریم که احتمال آن را کاهش می‌دهد.

 آزمایش اکسیون Axion

نوع دیگری از آزمایش‌ها هم در این زمینه وجود دارند که در حال جستجو به دنبال ذرات اکسیون هستند. باید اشاره کنیم که اکسیون‌ها ذراتی هستند که به طور تئوری و برای اولین بار به منظور حل مشکلی متفاوت در دنیای فیزیک پیشنهاد شد؛ مسئله‌ای که مربوط به نیروی هسته‌ای قوی بود. اکسیون‌ها از نظر الکتریکی خنثی هستند و تعامل ضعیفی با نور و همچین انواع دیگر ماده دارند و از طرفی هم دارای خواصی هستند که آن‌ها را به عنوان یک گزینه‌ی قوی برای ماده‌ی تاریک مطرح می‌سازد.

 خبر خوب این است که اکسیون‌ها تنها با ماده‌ی تاریک سازگار هستند؛ البته اگر جرم آن‌ها در محدوده‌ی بسیار کمی باشد. کم بودن جرم باعث می‌شود تا این ایده به آسانی قابل آزمایش باشد. چندین آزمایش هم در حال پیگیری هستند تا امکان‌های موجود پیرامون ایده‌ی اکسیون به عنوان ماده‌ی تاریک مورد جستجو را مورد بررسی و کاهش قرار دهند.

در وهله‌ی نخست، باید به تلسکوپ خورشیدی سرن اشاره کنیم. اکسیون‌ها می‌توانند به نور (فوتون‌ها) تبدیل شوند و نور را می‌توان به اکسیون تبدیل کرد. بنابراین همان‌طور که نور ذرات موجود در خورشید را پراکنده می‌کند، به همین ترتیب نیز ممکن است به اکسیون تبدیل شده باشد؛ اکسیون‌هایی که پس از آن از خورشید گریخته باشند. هدف تلسکوپ خورشیدی سرن اکسیون، پیدا کردن چنین اکسیون‌هایی است و این کار با استفاده از یک آهنربای دو قطبی متعلق به برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی انجام می‌شود. در حال حاضر، تلسکوپ یاد شده فاقد حساسیت مورد نیاز برای رد کردن اکسیون به عنوان ماده‌ی تاریک است؛ اگر چه می‌تواند برخی خواص آن‌ها را محدود کند.

 همچنین آزمایش «اکسیون ماده‌ی تاریک» یا (ADMX) در دانشگاه واشنگتن در جریان است. اگر این ذرات واقعا وجود داشته باشند، در آن صورت، اکسیون‌های موجود در هاله‌ی متشکل از ماده‌ی تاریک کهکشان راه شیری باید در تمام زمان‌ها از میان کره‌ی زمین عبور کنند. هدف آزمایش ADMX در واقع “گرفتن” چنین ذراتی با استفاده از تحریک آن‌ها برای واپاشی به فوتون‌هایی است که در ادامه می‌توانند توسط دستگاهی موسوم به حفره‌ی رادیو فرکانسی تشخیص داده شوند. یکی از مشکل عمده‌ای که محققان در اینجا با آن مواجه می‌شوند، عبارت است از کاهش نویز پس زمینه به اندازه‌ی کافی برای پیدا کردن سیگنال فوتون ضعیف.

 به دنبال فراتر از WIMP

با بسیاری از سرخوردگی‌هایی که در مسیر جستجو در پی ماده‌ی تاریک برای دانشمندان پیش آمده است، برخی از آن‌ها یک بار دیگر در پی نظریه‌های جایگزین بر آمده‌اند. جیمز بولاک (James Bullock) بر این باور است که مدل MOND یک مدعی قوی برای این کار است. او در این باره گفته است:

قابل توجه است که این مدل در توضیح سرعت چرخش انواع خاصی از کهکشان‌ها تا چه حد خوب کار می‌کند. این چیزی است که من شخصا توجه زیادی به آن نشان می‌دهم. این چیزی است که شما نمی‌توانید آن را بیش از این مورد بی‌توجهی قرار دهید.

با این حال، او اشاره کرد که تئوری MOND برای اینکه پذیرفته شود. نیاز به بهتر شدن در توضیح مشاهدات صورت گرفته در مقیاس بزرگ دارد؛ مشاهداتی مانند تابش زمینه‌ی کیهانی.

 آیا احتمالات دیگری هم وجود دارند؟ ماده‌ی تاریک در واقع می‌تواند به صورت یک سری از سیاه چاله‌های اولیه باشد؛ یا اینکه نشان‌دهنده‌ی نقایص توپولوژیکی در میدان کوانتومی باشد. همچنین ایده‌های جدیدی در زمینه‌ی گرانش هم وجود دارند که می‌تواند بر چیزهایی که ما می‌پنداشتیم درباره‌ی ماده‌ی تاریک پی برده‌ایم، خط بطلان بکشد. بولاک در این باره توضیح می‌دهد:

من فکر می‌کنم که روند فعلی به همان نقطه می‌رود. ما واقعا نیاز داریم تا ذهنمان را باز کنیم و نیاز به پذیرفتن این واقعیت داریم که «اینها همه‌ی آن چیزی است که می‌دانیم و اینها همه‌ی داده‌هایی است که ما در اختیار داریم. هیچ چیزی درباره‌ی داده‌هایی که بر پایه‌ی آن بتوان گفت ماده‌ی تاریک باید به عنوان یک ذره‌ی منفرد با نام WIMP باشد وجود ندارد. پرسش این است که آیا چیزی فراتر از آن وجود دارد؟ آیا پدیده‌ای ژرف‌تر وجود دارد؟

در حال حاضر، پاسخ به تمامی این پرسش‌ها این است که ما جوابی نداریم! شاید بهترین تصور از میزان دشواری این کار از کار گروه تحقیقاتی آزمایش LUX مشخص شود. آن‌ها در اعماق زمین، تک‌شاخ‌هایی را پیرامون سایت تحقیقاتی برای یافتن ماده‌ی تاریک قرار داده‌اند. لازم به توضیح است که بر پایه‌ی یک افسانه‌ی قدیمی، گذاشتن تک‌شاخ باعث جذب شکار‌های دست‌نیافتنی و شکار راحت آن‌ها می‌شود!

 اما با همه‌ی این تفاسیر، چند سال آینده در تاریخ ماده‌ی تاریک می‌تواند به عنوان بازه‌ای مهم و سرنوشت‌ساز تلقی شود. در واقع با وجود آزمایش‌های فراوانی که در حال اجرا هستند و همچنین با داشتن داده‌های جدیدی که باید به دنبالشان باشیم، به نظر می‌رسد که هیچ‌گاه پیش از این تا به این حد به یافتن ماده‌ی تاریک (یا شاید هم توقف کلی این ماموریت برای همیشه) نزدیک نشده بوده‌ایم.