‫تودههای مادهی تاریک‬
‫مثل بقیهی چیزها‪ ،‬گیتی بیش از آن چیزیست که در نگاه اول دیده میشود‪ .‬ما در احاطهی نور هستیم‪ .‬انرژی هستهای درندهخویی که‬
‫در بطن ستارهها میسوزد‪ .‬سحابیهای نرم و گازی‪ ،‬الگوهای ملیلهدوزی خود را در کهکشانها میگسترانند‪ .‬فریادهای منظم‬
‫تپاخترها‪ ،‬آوازهای فوری بلیزرها‪ .‬نجوای مایکروویو از بیگبنگ‪ .‬گیتی ما غرق در نور است‪ .‬اما همین گیتی تقریبا غرق در تاریکی‬
‫است‪ .‬اما نه آن تاریکی که مثل سایه یا ژرفای تهی فضای میانستارهای‪ ،‬ناشی از فقدان نور است‪ .‬نه‪ ،‬این تاریکی‪ ،‬متفاوت است‪ .‬نوعی‬
‫تاریکی خاص‪ .‬تاریکی بسا ژرف‪ ،‬که حتی نور را نمیشناسد‪ ،‬مادهی تاریک‪.‬‬
‫اگر به مباحث اخترفیزیک و ستارهشناسی عالقه داشته باشید حتما با مفهوم ماده تاریک آشنایی دارید‪ ،‬مادهای مرموز که اگر وجود‬
‫نمیداشت ما هم وجود نداشتیم‪ .‬در کتاب شازده کوچولو قهرمان داستان که در میان تپههای شنی بیابان صحرا پرسه میزد‪ ،‬میگوید‬
‫‪«:‬هرچیزی که ضروری و حیاتی هست‪ ،‬برای چشم نامرئی هست» درست مثل این جمله‪ ،‬مادهی تاریک عنصری نامرئی است که‬
‫برای تشکیل و فرگشت کیهان الزامی هست‪.‬‬
‫مادهی تاریک اصال چیست؟‬
‫مادهی تاریک به این جهت تاریک نامیده میشود چون با نور و یا امواج الکترومغناطیسی هیچ برهمکنشی ندارد و از خود تابشی هم‬
‫ندارد و عمال قابل دیدن نیست با اینحال ‪ 80‬درصد تمام مادههای جهان را تشکیل میدهد (دقت کنید مادههای جهان نه ترکیبات‬
‫سازندهی کیهان‪ ،‬چون حدود ‪70‬درصد کیهان از انرژی تاریک ساخته شده است)‪ ،‬وجودش هم وقتی که رفتار ستارهها‪ ،‬سیارهها و‬
‫کهکشانها با عقل جور در نمیآمد‪ ،‬کشف شد و متاسفانه با هیچ آشکارساز و حسگری هم قابل شناسایی نیست‪ .‬فیزیکدانان معتقدند که‬
‫کلید پیبردن به ماهیت فریبندهی آن باید در ترکیب اجزای سازندهاش باشد‪.‬‬
‫آیا مادهی تاریک بصورت تودههای عظیم وجود دارد یا مثل دانههای مجزای شنی هست؟‬
‫بیشتر فیزیکدانان فکر میکنند مادهی تاریک بصورت ذرات مجزا و منفرد یافت میشوند خیلی خیلی کوچکتر از دانههای شن‪ .‬ما از‬
‫اندازهی این ذرات مادهی تاریک اطالعات چندانی نداریم اما در بیشتر تئوریها میبایست یکهزار میلیارد میلیارد برابر سبک تر از‬
‫یک دانهی شن باشند‪ .‬چیزی که شواهد فعلی دربارهی مادهی تاریک به ما میگوید اینست که با نیروی هسته ای ضعیف برهمکنش‬
‫بسیار ضعیفی دارد نیرویی که اشیاء را در کنارهم نگه میدارد‪ ،‬این نیرو همچنین اجرام کوچکتر فضایی مثل سیارکها را هم نگه‬
‫میدارد‪ .‬اما وقتی به اجرام بزرگتری چون سیارات و ستارهها میرسیم گرانش نیروی غالب میشود‪ .‬نتایج حاصل بر این داللت دارد‬
‫که برای مادهی تاریک توقع تودههایی در مقیاس سیارکها را نداشته باشیم‪ .‬مادهی تاریک انتظار میرود مثل ابری از ذرات مجزا‬
‫وجود داشته باشد که به اندازهی کافی برهمکنشی برای ایجاد تودههای ندارد‪ .‬پس آیا این یعنی نمیتوان قلعههای شنی از مادهی تاریک‬
‫ساخت؟ خیر‪ ،‬این مجزا بودن به این معنی نیست که ذرات مادهی تاریک بصورت یکنواخت در سرتاسر کیهان پراکنده شدهاند برای‬
‫اینکه آنها از طریق گرانش جذب همدیگر میشوند‪ ،‬این یعنی مادهی تاریک در مناطق متراکمتر انباشته میشوند‪ .‬کهکشانهایی مثل راه‬
‫شیری ما در این مناطق پرچگالتر مادهی تاریک شکل گرفتهاند‪ .‬خب االن میپرسید مادهی تاریک باالخره توده تشکیل میدهد یا نه؟‬
‫چیزی که ممکن است اینست که وقتی تودههای عظیمی از مادهی تاریک وجود دارند برای مثال در مقیاس ستارهای‪ ،‬نیروی گرانش‬
‫بهحدی قدرتمند میشود تا اجرامی بسیار بزرگ از جنس مادهی تاریک را شکل بدهد که به نحوی مشابه چگونگی تشکیل ستارههای‬
‫معمولی در کیهان هست که از ابرهای گازی هیدروژن شکل میگیرند و باید گفت که تشکیل تودههایی از مادهی تاریک وجود دارد ولی‬
‫متفاوت از تودههای مادهی معمولی هست که میشناسیم‪.‬‬
‫تئوری هایی درباره ماهیت مادهی تاریک‪:‬‬
‫ماهیت مادهی تاریک که چندین دهه دانشمندان را کالفه کرده است‪ ،‬همچنان ناشناخته باقی مانده است ولی تئوریهای زیادی برای‬
‫ماهیت این مادهی مرموز و اسرارآمیز مطرح شده است که تابحال هیچکدام اثبات نشده اند‪ .‬ما هم به بررسی چندین نظریه در این باره‬
‫میپردازیم‪:‬‬
‫سیاهچالههای نخستین )‪1‬‬
‫دانشمندان معتقدند این نوع از سیاهچالهها در اولین ثانیهی پس از بیگبنگ شکل گرفتهاند و تصور میشود که‬
‫میتوانند نامزد احتمالی مادهی تاریک باشند‪ ،‬اگر سیاهچالههای نخستین واقعی باشند پس کیهان بایستی پر از این‬
‫سیاهچالهها باشد این نوع از سیاهچالهها میتوانند از اندازهی یک اتم تا میلیاردها کیلومتر متنوع باشند استیون‬
‫هاکینگ در دههی ‪ ۷۰‬میالدی ایدهی وجود سیاهچالههای نخستین را مطرح کرد‪.‬‬
‫‪ )2‬ذرات ویمپ(‪:)Wimp‬‬
‫ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف که به اختصار ویمپ نامیده میشوند یکی از ذراتی فرضی برای توضیح مادهی تاریک بهشمار‬
‫میروند‪ ،‬آنها نه نوری جذب و نه نوری بازتاب میکنند و با ذرات دیگر برهمکنش بسیار ضعیفی دارند اما وقتی که با ذرهای‬
‫برهمکنش دارند نایود میشوند و پرتوهای گاما ساطع میکنند‪ ،‬اگر این ذرات فرضی واقعی باشند االن در دریایی از این ذرات‬
‫غوطهور هستیم‪.‬‬
‫‪ )3‬آکسیونها‪:‬‬
‫آکسیونها ذرات اولیه فرضی هستند که اگر وجود داشته باشند میتوانند راز گیجکنندهی ماهیت مادهی تاریک را حل کنند‪ .‬دلیل‬
‫فرض وجود این ذره به نیروی هستهای قوی مربوط است نیرویی که عامل پایداری هستهی اتمها در مادهی معمولی بهشمار میرود‪،‬‬
‫این ذرات فرضی احتمال میرود در اولین ثانیههای پس از بیگبنگ شکل گرفته و در مقدار بسیار زیادی تولید شده باشند‪.‬‬
‫جدا از تحقیقات مستقیم دربارهی آکسیونها‪ ،‬تیمی بینالمللی از محققان به رهبری کر راجرز از دانشگاه تورنتو چیز دیگری را‬
‫جستجو کردند‪ ،‬آنها روی انباشتگی ‪ Clumpiness‬در کیهان متمرکز شدند و متوجه شدند که مادهی کیهانی یکنواختتر از آنچه‬
‫انتظار میرفت‪ ،‬پخش شدهاند‪ .‬بنابراین آکسیونها در اینجا چه نقشی ایفا میکنند؟ مکانیک کوانتومی این ذرات فرانوری ‪-extra‬‬
‫‪ light‬را به عنوان ذرات گنگ و تار ‪ fuzzy‬بیان میکند چون رفتاری موج‪-‬مانند از خود نشان میدهند‪ .‬مشخص میشود که طول‬
‫موج آکسیونها میتواند بزرگتر از تمام کهکشانهای باشند‪ ،‬ظاهرا این گنگ و تار بودن نقشی در هموار کردن کیهان با تاثیر بر‬
‫تشکیل و توزیع مادهی تاریک ایفا میکند‪ .‬اگر این درست باشد‪ ،‬پس توضیح اینکه چرا ماده در کیهان یکنواختتر پخش شده راه‬
‫درازی در پیش دارد‪ ،‬این بر این نکته داللت میکند که آکسیونها در توزیع ماده در کیهان نقش دارند و تا االن یکی از محتملترین‬
‫ذرات برای ماهیت مادهی تاریک بهشمار میروند ولی در علم باید منتظر شگفتی های بیشتر باشید‪.‬‬
‫گشتوگذاری در تودههای مادهی تاریک‪:‬‬
‫تودههای مادهی تاریک که مثل داربستی کیهانی در تشکیل کهکشانها و حیات روی زمین و دیگر سیارات نقش دارند(البته در مورد‬
‫پیدایش حیات بصورت غیرمستقیم) میتوانند در اندازههای مختلف وجود داشته باشند‪.‬‬
‫برای مثال با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل و تکنیکهای رصدی جدید‪ ،‬ستارهشناسان متوجه شدند مادهی تاریک تودههای بسیار‬
‫کوچکتری از آنچه قبال شناخته شده بود‪ ،‬شکل میدهد‪ .‬این نتایج یکی از پیشبینی های بنیادی مورد قبول قرار گرفته یعنی «تئوری‬
‫مادهی تاریک سرد» را تأیید میکند‪ .‬طبق این تئوری‪ ،‬تمام کهکشانها درون ابرهای مادهی تاریک شکل گرفتهاند‪ .‬مادهی تاریک‬
‫خودش شامل ذرات «آرامرو» یا «سرد» هست که گرد هم میآیند تا ساختارهایی را شکل بدهند که از صدها هزار برابر جرم‬
‫کهکشان راه شیری تا تودههایی سبکتر از هواپیمای تجاری متنوع هستند‪(.‬در اینجا مفهوم «سرد» به سرعت ذرات اشاره دارد)‪،‬‬
‫رصدهای تلسکوپ فضایی هابل بینشهای جدیدی دربارهی ماهیت مادهی تاریک و چگونگی رفتار این مادهی اسرارآمیز ارائه‬
‫میدهد‪.‬‬
‫مادهی تاریک شکلی نامرئی از ماده است که اکثریت جرم کیهان را شکل میدهد و داربستی بر روی کهکشانهایی که تشکیل‬
‫میشوند‪ ،‬ایجاد میکند‪ .‬اگرچه ستاره شناسان نمیتوانند مادهی تاریک را رصد کنند‪ ،‬آنها میتوانند خضورش را بهطور غیرمستقیم‬
‫با اندازهگیری اینکه چگونه گرانش آن بر ستارهها و کهکشانها تأثیر میگذارد‪ ،‬آشکار کنند‪ .‬آشکار کردن کوچکترین تشکلهای‬
‫مادهی تاریک با جستجوی ستارگان‪ ،‬کاری بس دشوار و حتی غیرممکن به نظر میرسد برای اینکه آنها ستارگان کمی را شامل‬
‫میشوند‪ .‬درحالیکه تمرکز مادهی تاریک در اطراف کهکشانهای با اندازهی بزرگ و متوسط شناسایی شده‪ ،‬تودههای خیلی‬
‫کوچکتر مادهی تاریک تا به االن پیدا نشدهاند‪ .‬در غیاب شواهد رصدی برای چنین تودههای کوچکمقیاسی‪ ،‬برخی محققان‬
‫تئوریهای جایگزین را مطرح کردهاند که شامل تئوری « مادهی تاریک گرم» میشود‪ .‬این ایده پیشنهاد میدهد که ذرات مادهی‬
‫تاریک سریعرو هستند و بسیار سریع حرکت میکنند تا تودهای کوچکتری را شکل بدهند‪ .‬رصدهای جدید از این سناریو پشتیبانی‬
‫نمیکنند و نشان میدهد که مادهی تاریک سردتر از آنست تا تئوری جایگزین یعنی مادهی تاریک گرم را تأیید کنند‪.‬‬
‫کالم آخر‪:‬‬
‫این تفکر که ما فقط کسر کوچکی از اسرار این کیهان وسیع و پهناور را میدانیم به خودی خود حس کنجکاوی ما را برانگیخته‬
‫میکند و مادهی تاریک یکی از این اسرار بزرگ گیتی بهشمار میرود‪.‬‬
‫در چند دههی اخیر‪ ،‬فیزیکدانهای نظری ذرات سختکوشانه کار کردهاند تا درک ما را به فراتر از مدل استاندارد ذرات ببرند‪.‬‬
‫همانطور که از نام آن مشخص است‪ ،‬این مدل سعی دارد همهی ذرات‪ ،‬نیروها‪ ،‬و برهمکنشها را در زیر یک سقف ریاضیاتی‬
‫گرد هم آورد‪ .‬نظریهپردازها به محدوده پرانرژی این مدل که در آن نیروهای طبیعت شروع به وحدت یافتن میکنند‪ ،‬عالقه وافری‬
‫دارند‪ .‬گاهی ذرهای با محدوده انرژی مناسب‪ ،‬تمامی ویژگیهای الزم برای مادهی تاریک را دارد‪ .‬جرم درست‪ ،‬برهمکنش بسیار‬
‫محدود‪ ،‬و فراوانی درست‪.‬این تصادفی محض است که نظریهپردازان دقیقا ً ذرهای را خلق کنند که کیهانشناسان در جستجوی آنند‪.‬‬
‫و اگر این ذره وجود دارد و به راستی ماده تاریک را توضیح میدهد‪ ،‬پس درواقع با چیزی بیش از گرانش برهمکنش دارد و میتواند‬
‫با نیروی هستهای ضعیف‪ ،‬با ماده معمولی ارتباط برقرار کند‪ .‬فقط بسیار بهندرت‪ ،‬و به شکلی بسیار گذرا‪ ،‬ولی به هر حال برهمکنش‬
‫میکند‪ .‬همین حقیقت موجب میشود تا ماده تاریک قابل آشکارسازی باشد‪ .‬باید خاطرنشان کنم که تا به امروز هیچ ویمپی شکار‬
‫نشده است و بدتر از آن‪ ،‬نظریههایی که به ذرات خاصی به عنوان ماده تاریک اشاره میکنند (مثل ویمپها) در حال از پا در آمدن‬
‫در آزمایشهای پرانرژی اخیر هستند‪ .‬هنوز نمایندگان زیادی برای ماده تاریک وجود دارد‪ ،‬ولی گمان نمیرود به این زودیها‬
‫چیزی روشن شود‪ .‬با این حال فیزیکدانها تصاویر مثبتی درباره تحقیقات در آیندهی نزدیک دارند و معتقدند که مسئلهی ماده تاریک‪،‬‬
‫روزی حل خواهد شد ولی آن روز چه زمانی هست کسی نمیداند ولی نزدیکتر از آنی هست که تصور میکنید‪.‬‬
‫نویسنده‪ :‬مهران عظیمی‬
‫آکادمی اخترزیستشناسی ایران‬
‫منابع‪:‬‬
‫‪https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/hubble-detects-smallest-known-dark-matter-clumps‬‬
‫‪https://www.thenakedscientists.com/articles/questions/qotw-dark-matter-lumps-or-sand‬‬
‫‪https://www.space.com/20930-dark-matter.html#section-what-is-dark-matter-and-why-is-it-invisible‬‬
https://svs.gsfc.nasa.gov/10955#:~:text=Weakly%20Interacting%20Massive%20Particles%2C%20or,a
.nnihilate%20and%20make%20gamma%20rays