چگونگی بررسی چیزهای نامرئی

به گزارش برنا؛ چطور می‌توانیم چیزی را که نامرئی است بررسی کنیم؟ این مسئله برای منجمانی که بر روی ماده تاریک کار می‌کنند، چالش بزرگی است. شبیه سازی‌های جدید نشان داده اند که اگر قادر به دیدن ماده تاریک بودیم، دقیقا چه شکلی بود. اگرچه ۸۵ ٪ از کل جهان، ماده تاریک است، با این حال هیچ تعاملی با نور ندارد و فقط از طریق اثر گرانشی بر روی نور و ماده آشکارسازی می‌شود. تلاش‌ها برای مشاهده ماده تاریک از زمین، تاکنون ناموفق بوده است.

با وجود ماهیت گریزناپذیر ماده تاریک، چیز‌های زیادی در مورد آن فهمیده ایم. می‌دانیم که این ماده فقط تاریک نیست و سرد نیز هست، در نتیجه می‌تواند به شکل توده درآید و منجر به تشکیل هسته خوشه‌های کهکشانی شود. ماده تاریک همچنین باعث به وجود آمدن هاله کهکشان‌ها می‌شود، که بیشتر جرم کهکشان را تشکیل می‌دهد. با این حال هنوز بسیاری از سوالات ما درباره ماده تاریک بی پاسخ مانده است؛ بنابراین ستاره شناسان اغلب، مدل‌های جدیدی را برای ماده تاریک ارائه می‌دهند و برای سنجیدن دقت این مدل ها، آن‌ها را با رصد‌های انجام شده مقایسه می‌کنند. یکی از راه‌های انجام این کار، شبیه سازی به وسیله رایانه‌های پیچیده است. اخیرا تیمی از مرکز اخترفیزیک هاروارد یک شبیه سازی دقیق از ماده تاریک انجام داده اند و به نتایج شگفت انگیزی دست یافته اند.

نجوم

دقت هر شبیه سازی به پیش فرض‌هایی که ارائه می‌شود، بستگی دارد. دراین حالت، تیم تحقیقات فرض کرده است که ماده تاریک شامل کنش‌های ضعیف ذرات عظیم (WIMP) با جرمی در حدود ۱۰۰ برابر یک پروتون است. WIMP یکی از مشهورترین نظریه‌ها در مورد ماده تاریک است. در این شبیه سازی همان طور که مشاهده میشود هاله‌هایی در اطراف کهکشان تشکیل میشود. این هاله ها، بیشترین تراکم را در قسمت مرکزی دارند و در لبه‌ها پخش می‌شوند.

یکی از ایده‌هایی که در مورد ماده تاریک وجود دارد این است که وقتی ذرات ماده تاریک با هم برخورد می‌کنند تشعشات گاما منتشر می‌کنند. برخی از رصد‌های صورت گرفته در طول موج گاما نشانگر وجود بیش از حد پرتوی گاما در مرکز کهکشان ما هستند که می‌تواند به علت ماده تاریک باشد. ماده تاریک یکی از بزرگترین مسائل حل نشده در دنیای نجوم مدرن است. اگرچه ما خیلی علاقه‌مند به آشکارسازی مستقیم آن هستیم، اما تا زمانی که این اتفاق بیافتد، شبیه سازی‌هایی از این دست یکی از قدرتمندترین ابزار‌های ما برای درک بهتر ماده تاریک خواهد بود.

ماده تاریک را بهتر بشناسیم

ماده تاریک چیزی است که بخش اعظم و تقریبا کل جهان را تشکیل داده است، اما فعلا مطلقا نمی‌دانیم که چیست. در واقع، قلمرو تاریکی از ماده سیاه می‌تواند همین الان درست جلوی بینی ما وجود داشته باشد. ماده تاریک اختراع شده است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است.

نظریه ماده تاریک برای توضیح بسیاری از مشاهدات گیج‌کننده نجومی مطرح شده است. برای مثال، بر اساس یکی از این مشاهدات ستاره‌ها در فضای بیرونی کهکشان‌های مارپیچی مثل کهکشان ما، به سرعت در حال چرخش‌اند. همانند بچه‌ای که سوار بر چرخ‌وفلکی پر سرعت است، این ستارگان باید به فضای بین ستاره‌ای پرت شوند؛ اما چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. اخترشناسان استدلال می‌کنند که برای این مساله، باید از اثرات گرانشی ماده بسیار عظیمی که هیچ نور قابل تشخیصی از خود ساطع نمی‌کند، متشکر باشیم.

دومین مشاهده‌ای که از ماده تاریک برای توضیح آن استفاده می‌شود، این واقعیت است که هم اکنون شما در حال خواندن این کلمات هستید. مشاهدات «تابش زمینه کیهانی» (CMB) نشان می‌دهد در آغاز خلقت جهان، ماده به شکل خیلی یکنواختی در سراسر فضا پخش شده است.

با این وجود، مناطقی هستند که چگالی‌شان از حد متوسط اندکی بیشتر بوده است. این نواحی که جاذبه قوی‌تری نسبت به مناطق اطراف خود داشتند، سریع‌تر از سایرین ماده را به درون خود کشیدند و حتی چگال‌تر هم شدند. اما این فرایند بسیار کند‌تر از آن است که بتواند کهکشانی به بزرگی راه شیری را در عمر ۸/۱۳ میلیارد ساله کیهان بسازد. برای آنکه بتوانیم وجود امروز خود را توضیح دهیم، نیازمند فرض مقدار خیلی زیادی از ماده تاریک هستیم که جاذبه فوق‌العاده زیادش، شکل‌گیری کهکشان‌ها را به شدت تسریع می‌کند و شتاب می‌دهد.

بر اساس آخرین مشاهدات اخترشناسان و همچنین مدل‌های ریاضی کیهان‌شناسی، ماده معمولی که من، شما و همه چیز‌های دیگر را تشکیل می‌دهد، تنها ۹/۴ درصد از کل محتوای جرم-انرژی جهان قابل مشاهده را تشکیل می‌دهد. در مقابل، ماده تاریک ۸/۲۶ درصد از این محتوای جرم-انرژی را شکل می‌دهد و باقی آن نیز از انرژی تاریک تشکیل شده است؛ موجودی که حتی از ماده تاریک هم مرموزتر است.

اعتقاد عمومی کیهان‌شناسان بر این است که کهکشان راه شیری ما از یک ابر چرخان کروی عظیم از ماده تاریک، آمیخته با اندکی ماده معمولی شکل گرفته است. ماده معمولی این ابر کروی تحت اثر گرانش شروع به جمع شدن و کوچک شدن کرد و با توجه به اینکه جمع‌شدگی در قطب‌ها سریع‌تر از اطراف خط استوا رخ می‌دهد (چرا که در استوا نیروی گریز از مرکز با جاذبه مقابله می‌کند)، نتیجه نهایی صفحه نازک مسطحی بود که در نهایت نیز تکه‌تکه و به ستاره‌ها تبدیل شد.

تنها عاملی که این رخداد را ممکن ساخت، این بود که ماده معمولی قادر بود گرمای خود را پخش کند؛ حرارتی که نیرویی به سمت خارج ایجاد می‌کرد و از انقباض ابر بر اثر گرانش جلوگیری می‌کرد. روش ماده معمولی برای این فرایند، تابش این انرژی گرمایی به شکل امواج الکترومغناطیسی یا نور بود.

با این وجود، مهم‌ترین بخش داستان این است که ماده تاریک نمی‌تواند نوری از خود ساطع کند و بنابراین قادر نیست انرژی خود را از دست دهد و به شکل صفحه‌ای مسطح جمع شود. در نتیجه ماده تاریک به شکل ابر کروی باقی مانده است. این توضیحات کهکشان ما را به شکل قرص مارپیچی مسطحی از ستارگان تصویر می‌کند که در ابری کروی از ماده تاریک قرار گرفته‌اند. این ابر کروی به راحتی می‌تواند سرعت ستاره‌های چرخان به دور کهکشان ما را توضیح دهد.