ماهیت ماده تاریک ، معمایی صدساله که دیگر یک معما نیست

حدود صد سال از معرفی ماده تاریک (Dark matter) می‌گذرد و هنوز پاسخی برای معمای ماهیت ماده تاریک ارایه نشده است. اما در تحقیق جدیدی، دانشمندان ادعا می‌کنند که به پاسخ این سوال دست یافته‌اند.

با اینکه 85 درصد از تمامی جرم موجود در کیهان را ماده تاریک تشکیل می‌دهد، اما هنوز دانشمندان دقیقا نمی‌دانند که ماهیت ماده تاریک چیست. اما یک فرضیه جدید می‌تواند ما را به پاسخگویی به این سوال بسیار نزدیک کند. دانشمندان اکنون گمان می‌کنند که در طول زمان، ماهیت ماده تاریک تغییر می‌کند. ماهیتی که از ذرات نامریی در بزرگترین ساختارهای کیهان تا حالت‌های سوپرفلوییدی در مقیاس‌های کوچکتر، می‌تواند متفاوت باشد. به زودی ابزار تشخیص این فرضیه، در دسترس دانشمندان خواهد بود.

ماده تاریک، ماده‌ای فرضی است که حدود یک قرن پیش در جامعه علم نجوم معرفی شد. عدم وجود توازن بین مقدار ماده موجود در کیهان و مقدار گرانش لازم برای کنار هم نگه‌داشتن اجزای کهکشان ها ، باعث معرفی این ماده شد. هرچند ما نمی‌توانیم این ماده را مشاهده کنیم، اما آثار آن در بسیاری از اجزای اطراف ما مشاهده می‌شود. نحوه چرخش کهکشان‌ها و نوع خمش نور در سفرهای کیهانی، نشان می‌دهد که باید بیش از آن چیزی که ما به عنوان ماده مرئی معمولی می‌شناسیم، در کیهان وجود داشته باشد.

اکنون، دو فیزیکدان، پیشنهاد داده‌اند که ماهیت ماده تاریک همواره در حال تغییر بوده است. این فرضیه می‌تواند پاسخ دهد که چرا تا به حال، نتوانسته‌ایم این ماده مرموز را شناسایی کنیم.

فیزیکدان ذرات، Tim Tait از دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید:

این ایده بسیار جالبی است. در واقع شما دو نوع مختلف از ماده تاریک دارید که توسط یک موضوع واحد توصیف می‌شود.

ایده سنتی ماده تاریک، این است که از ذرات با برهم‌کنش ضعیف، همانند آکسیون‌ها (axions) ساخته شده است. این ذرات، در مقیاس‌های وسیع، تحت تاثیر نیروی گرانش قرار می‌گیرند و این اثر را می‌توان رصد کرد. این حالت به اصطلاح سرد ماده تاریک، می‌تواند برای پیش‌بینی رفتار خوشه‌های کهکشانی مورد استفاده قرار گیرد. این پیش‌بینی، با مشاهده ما درباره رشته های کیهانی جهان مطابقت دارد.

دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که تمامی کهکشان‌ها توسط رشته‌های میان‌کهکشانی عظیمی، (که از جنس ماده تاریکند) به هم پیوسته شده‌اند.

اما زمانی که مقیاس‌های رصدی خودمان را به کهکشان‌های تک و نحوه چرخش ستاره‌های آنها به دور مرکز کهکشان محدود کنیم، اثر این پدیده را آن‌چنان که باید مشاهده نمی‌کنیم. به این صورت که در مکان‌هایی که تمرکز ماده معمولی را داریم، خبر زیادی از وجود ماده تاریک نیست.

در مقیاس کیهانی، مدل‌ها به خوبی با مشاهدات سازگار است. در مقیاس خوشه‌های کهکشانی نیز به نسبت خوبی مطابقت وجود دارد. با این حال، در مقیاس کهکشان‌ها ناهماهنگی‌ها به وضوح دیده می‌شود.

Khoury و Lasha Berezhiani از دانشگاه پرینستون می‌گویند:

دلیل اینکه نمی‌توانیم رفتار ماده تاریک را در هر دو مورد مقیاس‌های بزرگ و کوچکتر، با یکدیگر مطابقت دهیم، این است که ماهیت ماده تاریک می‌تواند عوض شود.
ما ذرات ماده تاریک سرد را برای خوشه‌های کهکشانی می‌توانیم در نظر بگیریم. اما در مورد مقیاس‌های کوچکتر، ماده تاریک حالتی سوپرفلوییدی به خود می‌گیرد.

سوپرفلوییدها شکلی از ماده‌اند که حالتی بسیار فشرده و سرد داشته و بدون اصطکاک و ویسکوزیتی هستند. گاهی نیز به شکل مایع چگالیده بوز-انیشتین درآمده که به عنوان حالت پنجم ماده شناخته می‌شود.

هرچند که سوپرفلوییدها خواصی عجیب دارند، اما روز به روز در دسترس‌تر می‌شوند. هفته گذشته بود که محققان توانستند تا کاری کنند که نور همانند مایع رفتار کند. به این صورت که برای اولین بار، نور را در دمای اتاق به شکلی از سوپرفلویید درآوردند.

هرچقدر که شناخت ما از سوپرفلوییدها بیشتر می‌شود، دانشمندان تمایل بیشتری نشان می‌دهند تا این ایده که سوپرفلوییدها نقش بسیار گسترده‌تری در کیهان دارند را قبول کنند. برخی می‌گویند که درون ستاره‌های نوترونی می‌تواند شامل سوپرفلویید بوده و حتی خود فضا زمان نیز یک سوپرفلویید باشد. پس چرا درباره ماهیت ماده تاریک نتوانیم چنین فکری کنیم؟

ایده کلی این است که هاله‌های ماده تاریک که در کهکشان‌های تک وجود دارد، شرایط مورد نیاز برای شکل‌گیری سوپرفلویید را فراهم می‌کنند. کشش گرانشی کهکشان‌ها، این اطمینان را ایجاد می‌کند که این ماده کاملا فشرده خواهد بود و دمای بسیار پایین فضا نیز مناسب وجود این حالت از ماده است. اگر به مقیاس‌های بزرگتر برویم، گرانش دیگر‌ آنقدر ضعیف خواهد بود تا نتواند حالتی از سوپرفلویید را ایجاد کند.

نکته کلیدی این است که سوپرفلویید ماده تاریک، می‌تواند رفتار عجیب کهکشان‌های تک را توضیح دهد. رفتاری که گرانش به تنهایی برای توضیح آن کافی نیست. این ماده می‌تواند نیرویی را ایجاد کند که همانند نیروی گرانش و در هاله کهکشان ها عمل کند.

Ouellette توضیح می‌دهد:

وقتی شما یک میدان الکتریکی را مختل می‌کنید، امواج رادیویی دریافت می‌کنید. با اختلال یک میدان گرانشی، امواج گرانشی تولید می‌شود. هنگام اختلال در یک سوپرفلویید چه اتفاقی می‌افتد؟ فونون‌ها (phonons) یا امواج صوتی ایجاد می‌شوند. این نیروی اضافی، می‌تواند به گرانش کمک کند.

باید خاطرنشان کرد که این فرضیه درباره ماهیت سوپرفلوییدی داشتن ماده تاریک، همچنان یک فرضیه است و نیاز به بازبینی‌های بیشتری دارد. با این حال پیشنویس نتیجه این تحقیق در وبسایت arxiv موجود است و می‌توان آن را مطالعه کرد.

مورد قابل توجه دیگری درباره سوپرفلویید این است که می‌تواند دینامیک نیوتونی تصحیح‌شده را نیز توضیح دهد. این دینامیک، تصحیحی بر قوانین نیوتون است که برای توصیف برخی رفتارهای خاص که در کهکشان‌ها مشاهده می‌شود، به کار می‌رود.

بایستی منتظر بود تا دید سرانجام این پژوهش‌ها به چه نتیجه دقیقی ختم می‌شود. اما نویسندگان این مقاله عقیده دارند که بسیار به درک حقیقت ماجرا نزدیک شده‌اند. به علاوه آنها می‌گویند که در آینده نزدیک، به راه‌هایی برای تایید این پیش‌بینی‌های سوپرفلوییدی از ماهیت ماده تاریک دست پیدا خواهند کرد.

اگر چنین اتفاقی بیفتد، پس از سال‌ها کشمکش می‌توانیم ادعا کنیم که ماهیت ماده تاریک دیگر یک معما نیست.