راز ۱۰۰ ساله «ماده تاریک» از زبان یک اخترفیزیک‌دان

«ماده تاریک» راز ناشناخته عالم که تبدیل به یکی از عمیق‌ترین و بنیادی‌ترین پرسش‌های علم فیزیک شده است، ماده‌ای که نه نور گسیل می‌کند، نه جذب می‌کند؛ نه با ابزارهای معمولی قابل‌مشاهده است. هرکدام از ما حداقل یک‌بار اسم این پدیده خارق‌العاده را شنیده‌ایم و شاید برای شما هم سؤال شده باشد که این پدیده چیست، چگونه باوجوداینکه دیده نمی‌شود شناسایی شده است؟ چندی قبل خبری مبنی بر پژوهشی که در مجلهٔ (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics) منتشر شد که احتمال مشاهده ماده تاریک توسط دانشمندان ژاپنی را مطرح می‌کرد. در این مقاله آمده بود که دانشمندان ممکن است برای اولین‌بار «مادهٔ تاریک» را با کمک تلسکوپ فضایی پرتوگامای فرمی ناسا دیده باشند؛ اگر این یافته درست باشد، این نخستین آشکارسازی مستقیم از اسرارآمیزترین مادهٔ عالم خواهد بود. باتوجه‌به جذابیت موضوع و سؤال‌های که برای من مطرح شده بود تصمیم گرفتم با یکی از متخصصین حوزه اخترفیزیک گفت‌وگوی داشته باشم تا کمی نسبت به این مبحث اطلاعات کسب کنم. پس از کمی پرس‌وجو به محمدتقی میرترابی دانشیار گروه نجوم و اخترفیزیک دانشگاه الزهرا همچنین ریاست سابق کمیته علمی المپیاد نجوم رسیدم. در این گفت‌وگو با محمدتقی میرترابی درباره کهکشان راه‌شیری، ماده تاریک، مرکز کهکشان، تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی، و… صحبت کردیم.

برای شروع، لطفاً برای من و مخاطبانی که آشنایی کمتری با مباحث کیهان‌شناسی داریم بفرمایید «ماده تاریک» چیست، چرا این‌قدر مهم است و چرا دانشمندان نزدیک به یک قرن است که در جست‌وجوی آن هستند؟

برای اینکه بدانیم ماده تاریک چیست، باید کمی به گذشته برگردیم. داستان ماده تاریک از اوایل قرن بیستم شروع شد؛ زمانی که اخترشناسان و کیهان‌شناسان توانستند تلسکوپ‌های بزرگ‌تری بسازند، ابزارها پیشرفت کرد و حجم داده‌هایی که از آسمان دریافت می‌شد افزایش یافت. تا قبل از قرن بیستم حتی تصور روشنی از وجود «کهکشان» به معنای امروزی وجود نداشت.در آسمان فقط دیده می‌شد که تعداد زیادی ستاره در کنار هم نوار روشنی می‌سازند؛ همان چیزی که امروز به آن «راه شیری» می‌گوییم. اما کسی نمی‌دانست این ستاره‌ها همه اعضای یک خانواده‌اند و مجموعه‌ای بزرگ به نام کهکشان راه شیری را تشکیل می‌دهند.
در دههٔ ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰، با ساخت رصدخانه «مونت ویلسون» و تلاش‌های ادوین هابل مشخص شد که سحابی‌هایی مانند اندرومدا در واقع کهکشان‌اند، درست مشابه راه شیری. کم‌کم معلوم شد که جهان از کهکشان‌ها تشکیل شده و برخی از این کهکشان‌ها نیز در کنار هم «خوشه‌های کهکشانی» می‌سازند. مجموعه‌های بزرگ‌تری از این خوشه‌ها را هم «ابرخوشه» می‌نامیم. یکی از این ابرخوشه‌ها، ابرخوشه‌ی گیسو (Coma Cluster) است. آن زمان فقط حدود ۱۳ کهکشان از آن رصد شده بود، در حالی‌که امروز می‌دانیم این ابرخوشه بیش از هزار کهکشان دارد. در همان دوران، فیزیک‌دان برجسته‌ای به نام فریتس زویکی (Fritz Zwicky) سرعت حرکت کهکشان‌های این ابرخوشه را محاسبه کرد و به کشف عجیبی رسید: انرژی جنبشی کهکشان‌ها بسیار بیشتر از مقدار مورد انتظار بود.
ما در اخترفیزیک یک مفهوم بنیادین داریم به نام قضیه ویریال (Virial Theorem)، قضیه ویرال به ارتباط بین انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل در یک سیستم می‌پردازد. این قضیه توضیح می‌دهد که در سیستم‌های گرانشی باید بین انرژی جنبشی و انرژی گرانشی یک نسبت مشخص برقرار باشد؛ انرژی جنبشی معمولاً باید حدود نصف انرژی گرانشی باشد. اما زویکی دید که در خوشه گیسو، انرژی جنبشی نه‌تنها کمتر نیست، بلکه از انرژی گرانشی بیشتر هم هست. این به معنای آن بود که این سیستم اصولاً نباید مقید باشد؛ یعنی کهکشان‌ها باید آزادانه از میدان گرانش فرار کنند و در طول میلیاردها سال کنار هم باقی نمانند. این نتیجه بسیار عجیب بود.تنها توضیح منطقی این بود که جرم واقعی خوشه بسیار بیشتر از چیزی است که دیده می‌شود؛ یعنی باید ماده‌ای وجود داشته باشد که ما آن را نمی‌بینیم؛ اما حضورش از طریق گرانش آشکار است. این‌گونه بود که مفهوم مادهٔ تاریک شکل گرفت.

ماده تاریک و اسرار پنهان کیهان

اشاره کردید که نخستین شواهد ماده تاریک از رفتار غیرمنتظرهٔ کهکشان‌ها در ابرخوشه‌ها به دست آمد. این فرضیه پس از آن چگونه تقویت شد؟ آیا شواهد دیگری هم کشف شد؟

در ابتدا بسیاری از دانشمندان به یافته‌های اولیه مشکوک بودند و این احتمال را مطرح می‌کردند که شاید اندازه‌گیری‌ها دقیق نبوده یا سرعت‌ها اشتباه محاسبه شده است. این تردیدها ادامه داشت تا بعد از جنگ جهانی دوم؛ زمانی که رایانه‌ها پیشرفت کردند و اخترشناسان توانستند کهکشان‌ها را شبیه‌سازی کنند.امروز می‌دانیم که اغلب کهکشان‌هایی که می‌بینیم در همان دوران‌های آغازین کیهان تشکیل شده‌اند و عمرشان بیش از ۱۰ میلیارد سال است. پس از جنگ، با استفاده از مدل‌های شبیه‌سازی، دانشمندان تلاش کردند که کهکشان‌ها را با همان شرایط فیزیکی شناخته‌شده بازسازی کنند. اما با یک مشکل اساسی روبه‌رو شدند: تقریباً تمام مدل‌ها ناپایدار بودند. کهکشان در شبیه‌سازی‌ها بعد از مدت کوتاهی از هم می‌پاشید. این سؤال مطرح شد که اگر مدل‌ها پایدار نیستند، پس چرا در واقعیت کهکشان‌هایی مانند راه شیری هنوز بعد از میلیاردها سال پایدارند؟ تنها پاسخ ممکن این بود که: درون کهکشان مقدار زیادی مادهٔ نادیده وجود دارد که با گرانش خود باعث پایداری کل ساختار می‌شود. این مسئله با شواهد دیگری نیز تقویت شد. به‌ویژه بررسی‌های دقیق‌تر نشان داد که مادهٔ موجود در کهکشان راه شیری و سایر کهکشان‌های مارپیچی بسیار بیشتر از ماده‌ای است که نور ساطع می‌کند. بخش بزرگی از مادهٔ موجود در این ساختارها اساساً نور نمی‌دهد و تاریک باقی می‌ماند.

این شواهد در کهکشان‌های مارپیچی چگونه خودش را نشان می‌دهد؟ چرا سرعت ستاره‌ها به قوانین نیوتن و کپلر ساز گار نیست؟

یکی از مهم‌ترین شواهد مربوط است به «منحنی سرعت» ستاره‌ها در کهکشان. بر اساس قانون سوم کپلر، هرچه یک ستاره از مرکز کهکشان دورتر باشد، باید کندتر حرکت کند. درست مانند منظومه شمسی که هرچه سیاره دورتر است، سرعت مداری‌اش کمتر می‌شود. مثلاً عطارد بسیار سریع‌تر از زهره و زمین می‌چرخد، و نپتون که دورترین سیاره است، کندترین حرکت مداری را دارد. اما در «هالهٔ کهکشانی» راه شیری این قاعده کاملاً نقض می‌شود. ستاره‌هایی که در فاصله‌های دور از مرکز کهکشان قرار دارند، به‌طور غیرمنتظره‌ای بسیار سریع حرکت می‌کنند؛ بسیار سریع‌تر از آنچه قوانین نیوتن پیش‌بینی می‌کند. این رفتار تنها با یک فرض قابل‌توضیح است: در هالهٔ کهکشان راه شیری مقدار عظیمی مادهٔ ناپیدا وجود دارد. اثر گرانشی این مادهٔ پنهان باعث می‌شود ستاره‌ها برای باقی‌ماندن در مدارهای خود مجبور باشند بسیار سریع‌تر حرکت کنند تا بتوانند گرانش عظیم موجود را جبران کنند.

این شواهد تا دهه‌های بعد چگونه تکمیل شد؟ نقش ماده تاریک در پیدایش جهان چیست؟

در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ شواهد بسیار محکم‌تر و مستقیمی به دست آمد. تحلیل‌های دقیق‌تر از شرایط لحظات ابتدایی عالم نشان داد که برای تشکیل نخستین ساختارهای کیهانی (از جمله کهکشان‌ها) نیاز به مقدار زیادی مادهٔ تاریک بوده است. اگر این ماده وجود نداشت، جهان فرصت کافی برای تشکیل کهکشان‌ها در طول عمر خود پیدا نمی‌کرد. امروزه دیگر شواهد وجود ماده تاریک آن‌قدر زیاد و متقاطع است که تردیدی در وجود آن باقی نمانده. می‌دانیم که مقدار ماده تاریک تقریباً پنج برابر مادهٔ روشن است؛ یعنی اگر تمام کهکشان‌ها و ستاره‌های قابل مشاهده را با هم جمع کنیم، فقط حدود یک‌ششم کل مادهٔ موجود در عالم را تشکیل می‌دهند. باقی آن، همان مادهٔ تاریک است که نور نمی‌دهد؛ اما گرانش عظیمی دارد.

کشف احتمالی ردّی از ماده تاریک

چرا بهترین مکان برای جست‌وجوی ماده تاریک «مرکز کهکشان» است؟

مرکز کهکشان جای است که ستاره‌ها خیلی به هم نزدیک‌اند، سحابی‌ها زیادند و ماده خیلی فشرده‌تر است؛ تنها اثر ماده تاریک گرانش است و چون این ماده تحت تاثیر نیرو های الکترومغناطیسی نیست  و داغ نمی‌شود، هیچ چیزی وجود ندارد که جلوی فشرده شدنش را بگیرد؛ بنابراین انتظار داریم ماده تاریک در مرکز کهکشان فشرده‌تر شده باشد.

با این توضیحات، اگر ما ماده تاریک را نمی‌بینیم، این مقاله جدید دقیقاً چه چیزی را شناسایی کرده؟

از دهه ۶۰ و ۷۰ میلادی آزمایش‌ها زیادی برای پیداکردن شواهد وجود ماده تاریک انجام شده است. یکی از راه‌ها این است که فرض کنیم ماده تاریک هم مثل ماده معمولی ذره و پادذره دارد. در نظریه ذرات بنیادی می‌دانیم هر ذره با پادذره‌اش ترکیب بشود چند فوتون می‌دهد. مثل الکترون و پوزیترون (نظریه ذرات بنیادی به مطالعه و توصیف ذرات زیراتمی و نیروهای بنیادی حاکم بر تعاملات آن‌ها می‌پردازد.)
حدس می‌زنیم ماده تاریک هم اگر ذره‌ای باشد، ممکنه با پادذره خودش ترکیب بشود و فوتون تولید کند. شواهدی از مرکز کهکشان دیده شده است که احتمالاً فوتون‌های بسیار پرانرژی (گاما) آزاد می‌شود. کاری که اخیراً انجام شد این است که گروهی از پژوهشگران ژاپنی مدعی شدند فوتون‌هایی که آشکارسازی شده‌اند از لحاظ توزیع، انرژی و شدت خیلی شبیه آن چیزی است که انتظار داریم از استحاله ماده تاریک به وجود بیاید. البته این نتیجه هنوز خیلی محکم نیست.

نقش تلسکوپ‌های فضایی گاما مثل سوئیفت و فرمی در این کشف چیست؟

چندین ابزار در فضا داریم که کارشان ردیابی پرتو گاما است. تلسکوپ فضایی گاما سوئیفت (Swift Gamma-Ray Burst Explorer) سه ابزار دارد که دوتاش پرتو گاما و ایکس را ثبت می‌کنند. تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی (Fermi Gamma-ray Space Telescope) هم چند آشکارساز دارد که می‌توانند گاما تا ۳۰۰ گیگا الکترون‌ولت را آشکار کند.
این ابزارها مدام آسمان را رصد می‌کنند و به‌محض اینکه از گوشه‌ای از آسمان پرتو گاما بیاید، ثبت می‌کنند و اطلاعات را به زمین می‌فرستند. این داده‌ها کاملاً عمومی هستند و هر کسی می‌تواند دانلود کند. انواع منابع گاما شناسایی می‌شوند؛ از ستاره‌های نوترونی تا سیاه‌چاله‌ها

چه چیزی باید کشف شود تا بگوییم این سیگنال‌ها واقعاً مربوط به ماده تاریک‌اند؟

ماده تاریک ثبتش فوق‌العاده سخت است؛ چون تنها برهم‌کنش آن گرانش است و گرانش بین نیروهای طبیعت خیلی ضعیف است. فوتون از میان ماده تاریک رد می‌شود بدون اینکه متوجه بشود. برای اعتمادکردن به این سیگنال‌ها باید شواهد مستقل و تکرارپذیر از چند ابزار مختلف و از چند ناحیه مختلف به دست بیاید. الان ابزارهای متعددی به دنبال این شواهد هستند؛ اما هنوز موفقیت قطعی حاصل نشده است.

آیا ممکن است اصلاً ماده تاریک وجود نداشته باشد و ما نظریه گرانش را اشتباه نوشته باشیم؟

برخی‌ها همین نظر را دارند. می‌گویند شاید ماده تاریک وجود ندارد و باید نظریه گرانش را تغییر بدهیم. حتی بعضی‌ها قانون دوم نیوتن را عوض کردند تا حرکت ستاره‌ها در کهکشان بدون نیاز به ماده تاریک توجیه شود.

اگر این یافته جدید تأیید شود، چه تغییری در درک ما از جهان ایجاد می‌کند؟ آیا ممکن مدل استاندار فیزیک ذرات بازنویسی بشود؟

پیدا کردن ماده تاریک  بزرگ‌ترین مسئله فیزیک امروزه است؛ اگر کسی بتواند شواهد قطعی ارائه کند، کار فوق‌العاده بزرگی کرده است. اگر این ادعای ژاپنی‌ها درست باشد، آسیبی به مدل استاندارد ذرات بنیادی نمی‌زند؛ فقط یک ذره جدید پیدا شده است. اما اگر ماده تاریک خصوصیات عجیبی داشته باشد، ممکنه است مجبور باشیم مدل استاندارد را تغییر بدهیم.