کيهان شناسي که علم مطالعه آغاز، شکل گيري و تکامل عالم است هنوز نمي داند 99% عالم را چه چيز تشکيل داده است. به نظر مي رسد جز غير قابل مشاهده اي قسمت اعظم عالم را تشکيل داده است که قابل شناسايي نيست.
اين ماده واقعا چيست؟ چگونه آن را بشناسيم؟
اثبات وجود ماده تاريک:
جاذبه دليل وجود ماده تاريک.
وجود يک پديده را از دو روش مي توان اثبات کرد: مشاهده مستقيم پديده يا مشاهده تاثير آن بر پديده هايي که راحت تر مشاهده مي شوند. اين مطلب که در آسمان شب چيزهايي هست که به راحتي ديده نمي شود و هميشه مورد توجه بوده است. هنگام استفاده از تلسکوپ يا راديو تلسکوپ فقط اشيايي رصد مي شوند که از خود نور يا امواج راديويي ساتع مي کنند. اما هر پديده اي اين خصوصيات را ندارد حتي سياره خودمان زمين نيز به علت تاريکي بيش از حد قابل مشاهده نيست.
اولين مدرک. خوشه هاي کهکشاني.
مقدار قابل توجهي ماده در بررسي خوشه هاي کهکشاني وجود دارد که ما نمي توانيم به آساني آنها را ببينيم. خوشه هاي که از تجمع چند صد تا چند هزار کهکشان يا کهکشان هاي تک در فضا بوجود آمده اند. در دهه 1930، zwicky، Smith، دو خوشه تقريبا نزديک به هم Coma و Virgo را از لحاط کهکشان هاي تشکيل دهنده و سرعت خوشه ها مورد بررسي قرار دادند، و سرعتي که بدست آوردند چيزي بين 10 تا 100 برابر مقداري بود که انتظار داشتند. معني اين چيست؟ در يک گروه از کهکشان ها مثل خوشه تنها نيروي موثر بر کهکشان ها گرانش است و اين گرانش اثر کششي کهکشان ها بر يکديگر است که باعث بالا رفتن سرعت آنها مي شود.
سرعت مي تواند مقدار ماده موجود در کهکشان را به دو طريق مشخص کند:
1) جرم بيشتر کهکشان باعث مي شود نيروي شتاب دهنده به کهکشان نيز بيشتر شود.
2) اگر شتاب يک کهکشان خيلي زياد باشد مي تواند از ميدان جاذبه خوشه خارج شود. اگر شتاب کهکشان بيش از سرعت فرار باشد، خوشه را ترک خواهد کرد.
به اين ترتيب همه کهکشان ها سرعتي پايين تر از سرعت فرار (گريز) خواهند داشت. و با اين نگرش مي توان جرم کل خوشه را حدس زد که مقدار قابل توجهي از ميزان مشاهده شده است. با اين حال اين نظريه به علت اينکه مبني بر مشاهده بود و مشاهدات غالبا با اشتباه همراهند مدت طولاني مورد توجه قرار نگرفت. هنگامي که چيزي به وسعت يک خوشه کهکشاني نگاه مي کنيد با اينکه ممکن است سرعت ها زياد باشند در مقابل وسعت خوشه ها چيزي به حساب نمي آيند پس مشاهده مداوم يک خوشه در طي چندين سال تصوير يکساني از آن بدست مي دهد. ما نمي توانيم کهکشان هايي را که بدون الگو حرکت مي کنند با دقت ببينيم. پس يک کهکشان با سرعت زياد ممکن است از خوشه جدا شده باشد يا اصلا متعلق به خوشه نباشد. حتي ممکن است بعضي از کهکشان ها فقط مقابل کهکشان هاي ديگر در راستاي خط ديد آنها باشند. با اين حساب اين کهکشان گمراه کننده خواهد بود.
دليل محکمتر: منحني حرکت انتقالي کهکشان ها.
دلايل قابل اعتماد تري در دهه 1970 در پي اندازه گيري منحني هاي دوران کهکشان ها ارايه شد. علت قابل اعتماد تر بودن آنها اين است که اطلاعات موثق تري در مورد تعداد يشتري کهکشان دست مي دهند. از گذشته مي دانستيم که کهکشان ها حول مرکز شان دوران دارند درست شبيه به چرخش سيارات به دور خورشيد و مانند سيارات از قوانين کپلر پيروي مي کنند. اين قوانين مي گويند سرعت چرخشي حول يک مرکز فقط به فاصله از مرکز و جرم موجود در مدار بستگي دارد. پس با پيدا کردن سرعت چرخش يک کهکشان مي توانيم جرم موجود در کهکشان را محاسبه کنيم. همان طور که در کناره هاي کهکشان ميزان نور به سرعت کم مي شود انتظار مي رود سرعت چرخش نيز پايين بيايد ولي اين اتفاق نمي افتد و سرعت در همان ميزاني که محاسبه شده بود ثابت مي ماند و اين مطلب آشکارا نشان مي دهد در کناره هاي کهکشان جرمي وجود دارد که ما نمي بينيم. اين آزمايش در مورد چندين کهکشان حلزوني - از جمله کهکشان راه شيري خودمان - انجام شده و هر بار به همين نتيجه رسيده است. و اين محکمترين و بهترين اثبات براي وجود ماده تاريک است.
چه ميزان ماده تاريک وجود دارد؟
کيهان شناسان ميزان موجود در عالم را با پارامتري به نام امگا مورد بحث قرار مي دهند. در يک عالم بسته يعني عالمي که جرم آن در حدي است که عاقبت در خود فرو مي ريزد امگا بيش از 1 تعريف مي شود. در يک عالم باز يعني عالمي که تا ابد اجزاي آن در حال دور شدن از يکديگر هستند امگا کمتر از 1 است و يک عالم مسطح به طور ايده آل امگايي برابر 1 خواهد داشت. ميزان ماده قابل مشاهده موجود در عالم در حدود 0.05 = امگا است و به هيچ وجه بيش از آن نمي باشند. نظريه پردازان مايلند امگاي عالم را چيزي 1 در حدود در نظر بگيرند به آن معني که ماده تاريک 0.95 = امگا يا 95% عالم را تشکيل داده است. اما در صورتي که واقع بينانه تر نگاه کنيم مي بينيم که دانشمندان دليلي براي بيشتر بودن اندازه امگا از 0.4 ندارند با اين حساب ميزان ماده تاريک 0.35 امگا خواهد بود که 88% جرم عالم است. مي بينيم که 88% عالممان کاملا ناشناخته است! چه چيز ماده تاريک را تشکيل داده است؟ حدس و گمان هاي زيادي در باره جنس ماده تاريک وجود دارد.
ماده معمول
ماده تاريک ممکن است از چيزهاي معمولي مثل جنس سيارات تشکيل شده باشد،
1) سيارات.
ماده تاريک ممکن است از چيزهاي معمولي مثل جنس سيارات تشکيل شده باشد، ولي سياراتي مثل زمين به اندازه کافي جرم ندارند، پس ممکن است ژوپيترها تشکيل دهنده ماده تاريک باشند. اما اين نظريه چندين مشکل دارد، اول اينکه ما فرض کرده ايم سيارات فقط در اطراف ستارگان شکل گرفته اند، بنا بر اين ستارگان به ميزان بسيار کمي جرم آن ها را بالا مي برند. با اين حساب امگا = 0.005 خواهد بود که براي تشکيل دادن 88% جرم عالم کافي نيست. دومين و مهمترين مشکل از ترکيب هسته اي مهبانگ (big bang nacleosynthesis) ناشي مي شود. در لحظه تولد عالم وقتي مهبانگ رخ داد عالم ماده اي بسيار گرم تشکيل شده از انواع ذرات بود، در حالي که عالم بزرک و بزرگتر و به سردي مي گراييد ذرات ماده معمول مثل الکترون، نوترون و پروتون ها نيز سرد مي شدند و اتمهاي مواد موجود در عالم را تشکيل مي دادند. غالب اين اتمها مربوط به هليوم و هيدروژن هستند. BBN يک تئوري موفق است که نه تنها هيدروژن و هليوم را به عنوان بيشترين عناصر جهان معرفي مي کند بلکه نسبت آنها را نيز به درستي بيان مي کند. اما مسئله اي وجود دارد. مقدار هر ماده اي که تشکيل مي شود به ميزان ماده معمول تشکيل دهنده اتم (ماده بارنوييک) بستگي دارد و BBNمقدار اين ماده را براي عالم کنوني چيزي در حدود امگا = 0.1 پيش بيني مي کند. بايد توجه کرد که اين ميزان ماده بارنوييک براي مواد قابل مشاهده در عالم ما زياد است در نتيجه مقداري ماده معمول تاريک (از جمله سيارات و ستارگان سوخته) وجود دارد اما اين مواد نمي توانند توجيه کننده سرعت خوشه و منحني دوران آنها باشند.
2) ستارگان تاريک- ژوپيترها، کوتوبه هاي قهوه اي، کوتوله هاي سفيد
ماده معمول ديگري که مي تواند تشکيل دهنده ماده تاريک باشد ستارگاني هستند که جرم کافي براي سوختن و درخشان شدن ندارند- کوتوله هاي قهوه اي - يا ژوپيترها - ژوپيترها کوتوله هايي به مراتب (حدود 10 برابر) سنگين تر هستند و به صورت ستارگان بسيار کوچک و کم نور فعاليت دارند. اما اين احتمالات مثل سيارات در مقابل BBN با مشکل مواجه مي شوند و باز باريون کافي وجود ندارد. احتمال اين نيز مي رود که نظريه BBNاشتباه باشد ولي چون اين نظريه تا کنون بسيار موفق بوده است به دنبال انتخاب هاي ديگري براي ماده تاريک هستيم.
ماده عجيب.
ماده تاريک هرچه که هست، مهمترين علت نيروهاي گرانشي در اين عالم است و حداقل بايد سهم کوچکي در ساختار کنوني عالم داشته باشد.
اين ماده آنقدر ها هم عجيب نيست فقط ماده اي است که الکترون، نوترون و پروتون ندارد. بسياري از چنين ذرات شناخته شده اند و چند مورد از آن ها در حد تئوري هستند تا بتوان مشکل ماده تاريک را حل کرد.
1) نوترينوها:
نوترينوها ذرات بدون جرمي هستند که وجودشان ثابت شده و لي دلايلي وجود دارد که نشان داده گاهي اوقات جرم بسيار کوچکي دارند. در عالم مقدار بسيار زيادي از اين ذرات وجود دارد، با اين حال حتي يک جرم بسيار کوچک تر براي ماده تاريک پر اهميت است. جرمي به اندازه 5000/1 جرم الکترون، امگايي به اندازه 1 بدست مي دهد.
2) ويمپ ها (WIMPs)
بيشتر انتخاب هاي ماده عجيت در دسته ويمپ ها - Weakly Interaching massive particles - قرار مي گيرند. ويمپ ها دسته اي از ذرات سنگين هستند که به سختي با ذرات ديگر واکنش مي دهند از اين ذرات مي توان در تراسنيو ها و آکسيون ها را نام برد.
تغييرات جاذبه
آخرين احتمال اين است که ما هنوز جاذبه و گرانش را به درستي نشناخته باشيم. ممکن است جاذبه در مقياس هاي بزرگ مثل کهکشان ها نسبت به مقياس هاي کوچک که مي شناسيم متفاوت باشد. با اينکه چنين احتمالي بعيد به نظر مي رسد ولي نبايد حتي به عنوان يک احتمال کنار گذاشته شود.
نتيجه گيري:
ستاره شناسان هنگام رصد کهکشان ها دريافتند که مقدار بسيار زيادي ماده در عالم وجود دارد و کهکشان ها اتفاقي و نا مرتب در عالم جا نگرفته اند بلکه به صورت خوشه ها و ابر خوشه درميان رشته ها و ديواره هايي جا گرفته اند که در بين شان تهي گاهها وجود دارند.
ماده تاريک هرچه که هست، مهمترين علت نيروهاي گرانشي در اين عالم است و حداقل بايد سهم کوچکي در ساختار کنوني عالم داشته باشد. در صورتي که ماده تاريک از ذرات سبک نوترينو تشکيل شده باشد مي تواند فواصل بسيار بزرگ را پوشش دهد يعني در فواصل بين رشته ها و ديواره ها قرار مي گيرد اين نوع ماده HDM يا ماده تاريک داغ نام دارد. اما در صورتي که ماده تاريک از ذرات سنگين مثل WIMPs تشکيل شده باشد، ذراتش نسبتا به آرامي حرکت مي کنند و مي توانند مقياس هاي کوچکتري مثل فواصل کهکشاني را پوشش دهند اين نوع ماده CDM يا ماده تاريک سرد نام دارد. هر دو نوع ماده يعني HDM و CDM مشکلاتي دارند از جمله اينکه CDM ني تواند ساختارهايي با مقياس هاي بزرگ و HDM نمي تواند مقياس هاي کوچک را تحت پوشش قرار دهد. با اين حساب فرض مي کنيم کهکشان ها در ميان ماده مخلوط ياMDM شکل گرفته اند.