گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
گروهی از دانشمندان فرضیه‌ای تازه را مطرح کرده‌اند که شاید ماده تاریک در واقع شکل منجمدشده‌ای از نور کیهان اولیه باشد.
تقریباً از زمانی که اخترفیزیک‌دانان دریافتند جرم مرئی کهکشان‌ها نمی‌تواند رفتار چرخشی آنها را توضیح دهد، یک قرن می‌گذرد. ستارگان در لبه‌های بیرونی با سرعت‌هایی می‌چرخند که قوانین برای چنین مقادیری جرم کافی نمی‌شناسند، و همین تضاد سبب شد فرض وجود ماده‌ای ناپیدا، سرد و بدون تابش شکل گیرد؛ عنصری که نه نور از خود ساطع می‌کند و نه با آن برهم‌کنشی دارد، اما قدرت گرانشی آن آشکارا محسوس است.
این عنصر مرموز که نزدیک به ۸۵ درصد از جرم کل جهان را شامل می‌شود، با نام «ماده تاریک» شناخته می‌شود، پدیده‌ای که طی دهه‌ها مرکز بحث‌های کیهان‌شناسی و فیزیک نظری بوده است. با وجود پیشرفت‌های بزرگ در مدل‌های کیهانی، رصد پرتوهای زمینه‌ی مایکروویو و آزمایش‌های مستقیم شناسایی ذرات، ماهیت و منبع این بخش خاموش از کیهان هنوز ناشناخته مانده است. نظریه‌های متعددی از جمله وجود ذرات سنگین غیر برهم‌کنش‌گر، اکسیون‌ها یا آثار گرانش ناشی از ابعاد اضافی مطرح شده‌اند، اما هیچ‌یک هنوز پاسخی قطعی ارائه نکرده‌اند.
بر اساس آخرین اخبار نجوم، دو پژوهشگر از کالج دارتموث در ایالات متحده فرضیه‌ای تازه را مطرح کرده‌اند. آنها پیشنهاد می‌کنند که ماده تاریک شاید از همان انرژی نورانیِ نخستین لحظات پس از مهبانگ پدید آمده باشد. در نگاه آنان، احتمالا نوسانات کوانتومی نور در لحظه‌ای از انبساط سریع جهان، در قالب ذراتی بسیار سرد و بدون بار الکترومغناطیسی منجمد شده‌اند. با این حال آیا می‌توان گفت که ماده تاریک همان نور منجمد شده کیهان اولیه است؟
داستان پیدایش ماده تاریک از انرژی مهبانگ
فیزیک‌دانان «گوانمینگ لیانگ» و «رابرت کالدول» در پژوهشی تازه، تصویری کاملاً متفاوت از لحظه‌های نخست تولد کیهان ارائه کرده‌اند؛ جهانی فوق‌العاده داغ و چگال که در آن ذرات بی‌جرم با شتابی نزدیک به سرعت نور در همه‌سو پراکنده می‌شوند. این محیط آغازین به تعبیر آنان، بیشتر به دریایی از نور شباهت دارد تا به ماده‌ای سخت و قابل لمس. در نگاه این دو محقق آنچه ما امروز ماده تاریک می‌نامیم، شاید حاصل تحول همان ذرات نوری باشد که در آشوب اولیه مهبانگ به دام افتادند. آنها توضیح می‌دهند که با گذشت زمان، این ذرات در دل یک مه غلیظ از انرژی‌های بنیادین، بی‌وقفه با یکدیگر برخورد کردند و به تدریج سرد شدند. در نتیجه بخشی از نور بی‌جرم جهان نخستین، چنان کند شد که جرم به خود گرفت.
از دل این دگرگونی، توده‌هایی شکل گرفتند که هیچ نشانه الکترومغناطیسی ندارند و تنها از راه گرانش وجودشان در کیهان حس می‌شود. کالدول در توضیح این نظریه تأکید کرد: «این تصور، زاویه دید ما را نسبت به ماده تاریک کاملاً تغییر می‌دهد. دیگر آن را به‌صورت توده‌های سرد و سنگین نمی‌بینیم، بلکه به عنوان بازمانده‌های نور منجمدشده‌ای در نظر می‌گیریم که به‌تدریج جرم پیدا کرده‌اند.» او و همکارش تلاش دارند با این رویکرد، توضیح دهند چگونه جهانی پر از فوتون‌های آزاد و بی‌وزن، توانست در گذر زمان به ترکیباتی تبدیل شود که امروز نیروی گرانشی اضافی و نامرئی را در سراسر کیهان رقم می‌زنند.
- بزرگترین راز کیهان تغییر می‌کند؛ آیا پایان جهان نزدیک است؟
- برخورد سیاه چاله ها با یکدیگر، یکی از بزرگترین سوالات بشر را پاسخ خواهد داد
- جهان ما ممکن است دوقلویی داشته باشد که در زمان به عقب حرکت می‌کند
طبق محاسبات آنها، حدود ۱۳.۷ میلیارد سال پیش، همه هستی در فضایی کوچک‌تر از یک اتم فشرده شده بود، جهانی با تراکم و دمایی بی‌سابقه که در آن برخوردهای کوانتومی همچون رقصی بی‌پایان رخ می‌داد. در آن زمان ذرات پیوسته در حال نوسان، برخورد و تغییر بودند و انرژی آنها دیوانه‌وار بین حالت‌های مختلف جابه‌جا می‌شد. در چنین محیطی، شرایط برای شکل‌گیری پیوندهای نوظهور میان ذرات فراهم بود. پیوندهایی که شاید سنگ‌بنای جرم را در جهان اولیه گذاشتند.
پیوند کوانتومی فرمیون‌ها و تولد تاریکی
لیانگ و کالدول برای توصیف این واکنش‌های بنیادی، به مدل نظری نامبو–جونا–لازینیو (Nambu–Jona-Lasinio) استناد کرده‌اند؛ مدلی که در فیزیک هسته‌ای برای توضیح چگونگی سنتز نوکلئون‌ها به کار می‌رود. در این چارچوب، گروهی خاص از ذرات موسوم به «فرمیون‌های دیراک» می‌توانند همانند الکترون‌هایی که در ابررساناها جفت‌های کوپر می‌سازند، با یکدیگر پیوندی کوانتومی تشکیل دهند.
گرچه ساختار ریاضی این مدل بسیار پیچیده است و حتی در قلمرو مکانیک کوانتومی چالش‌برانگیز محسوب می‌شود، پیامدهای آن به‌طرز مستقیم به رشد و تحول کیهان مربوط می‌شوند؛ از مرحله تورم ناگهانی کیهان تا انبساط آرام و بعدی آن. با این حال، تمامی مدل‌های موجود تاکنون بر پایه این فرضیه بوده‌اند که دمای فضا نسبتاً متعادل باقی مانده است، در حالی‌که بر اساس دیدگاه لیانگ و کالدول، ممکن است درست در این عدم‌تعادل حرارتی، راز شکل‌گیری ماده تاریک نهفته باشد
بازتاب فرضیه لیانگ و کالدول درباره ماده تاریک
گوانمینگ لیانگ و رابرت کالدول در ادامه پژوهش خود این پرسش را مطرح کردند که اگر در معادلات کیهان اولیه، ویژگی‌های حرارتی و نوسانات دمایی نیز لحاظ شوند، آیا مسیر شکل‌گیری ماده تاریک تغییر خواهد کرد؟ آنان بر این فرض تمرکز کردند که شاید گروهی از فرمیون‌های دیراکِ فوق‌العاده پرانرژی، در اثر نوعی عدم تعادل حرارتی یا چگالی انرژی، بخشی از نیروی جنبشی خود را از دست داده باشند. این افت انرژی می‌توانست نه به نابودی، بلکه به تبدیل انرژی به جرم ختم شود. یعنی لحظه‌ای که حرکت آنها کند می‌شود، ساختارشان تثبیت می‌گردد، و عملاً منجمد می‌شوند.
لیانگ توضیح داد: «همان‌طور که یک ابر تندری در اثر سرد شدن به دانه‌های تگرگ تبدیل می‌شود، انرژی آزاد و آشفته جهان نخستین نیز ممکن است به صورتی چگال و جرم‌دار تبدیل شده باشد.» به گفته وی، شگفت‌انگیزترین بخش مدل ریاضی آنان همین مرحله گذار است؛ جایی که بین فاز پرانرژی بی‌جرم و فاز کم‌انرژی توده‌ای، یک افت شدید انرژی رخ می‌دهد. لیانگ یادآور می‌شود که وجود پدیده‌های مشابه در فیزیک، مثل جفت‌های کوپر در میان الکترون‌ها در مواد ابررسانا، نشان می‌دهد نیازی به فرضیات عجیب و نامعمول برای تشکیل این ذرات تاریک نیست و مکانیسم‌های شناخته‌شده کوانتومی می‌توانند چنین پدیده‌ای را توضیح دهند.
- ۵ نظریه علمی که احتمال وجود چندجهانی را مطرح می‌کنند
- کشف بکرترین ستاره جهان؛ پنجره‌ای رو به کیهان اولیه پس از بیگ بنگ
- دانشمندان نظریه بیگ بنگ را زیر و رو کردند؛ جهان ما چطور شروع شد؟
پاسخ به معمای ناپدید شدن انرژی آغازین جهان
این دیدگاه علاوه بر توضیحی نو برای سرچشمه ماده تاریک، پاسخی احتمالی برای یکی از معماهای بزرگ فیزیک کیهانی نیز فراهم می‌کند که چرا بخش عظیمی از انرژی آغازین جهان ناپدید شده است؟ لیانگ می‌گوید: «ساختارهای کیهانی جرم خود را از چگالی ماده تاریک سرد می‌گیرند، اما باید مکانیسمی وجود داشته باشد که چگالی انرژی را تا حدی کاهش دهد که با مقدار فعلی جهان هماهنگ شود. مدل ما از این نظر زیباست، چون ساده و خوداتکاست و همچنین نیازی نیست عناصر اضافی به آن بیفزاییم تا کار کند.»
با این حال، وی تأکید می‌کند که ساده بودن یک نظریه به معنای اثبات‌پذیر بودن آن نیست. تفاوت این فرضیه با بسیاری از مدل‌های پیشین، در قابلیت آزمون‌پذیری آن است. طبق محاسبات تیم دارتموث، تبدیل ذرات فوق‌انرژی به زوج‌های سرد و کند باید ردپایی قابل اندازه‌گیری در تابش زمینه کیهانی بر جای گذاشته باشد.
هرگونه انحراف یا علامت غیرمعمول در طیف تابش CMB می‌تواند نشان دهد که چنین فرآیند «منجمد شدگی کوانتومی» واقعاً رخ داده و بخشی از ذرات حاصل از آن، همان ماده تاریک فعلی هستند. کالدول نیز در این زمینه می‌گوید: «این برای فیزیک کیهانی بسیار هیجان‌انگیز است. ما راهی تازه برای اندیشیدن درباره ماده تاریک پیشنهاد می‌کنیم، راهی که نه‌تنها از منشأ احتمالی آن سخن می‌گوید، بلکه مسیر شناسایی آزمایشی‌اش را نیز نشان می‌دهد.» نتیجه این پژوهش که نگاه تازه‌ای به زمان تولد جرم در کیهان دارد، در نشریه Physical Review Letters منتشر شده است.