در ادامه در یک متن نسبتاً طولانی و علمی درباره ماده تاریک (Dark Matter) ارائه میکنم. این متن سعی دارد موضوع را از جنبههای مختلف تاریخی، مشاهداتی، نظری و آینده بررسی کند.
۱. مقدمه: جهان ناپیدا اگر به آسمان شب نگاه کنید، ستارهها، سیارات و کهکشان راه شیری را میبینید. اما آنچه میبینید تنها نوک کوه یخ است. مشاهدات نجلی در قرن بیستم به طور متقاعدکنندهای نشان داد که بیشتر ماده در جهان از نوعی است که نه نور را ساطع میکند، نه جذب میکند و نه بازمیتاباند. این ماده، که تنها از طریق اثرات گرانشیاش detectable (قابل تشخیص) است، ماده تاریک نامیده میشود. بر اساس آخرین اندازهگیریهای مأموریت پلانک (Planck)، ماده تاریک حدود ۲۷٪ از کل محتوای انرژی-ماده کیهان را تشکیل میدهد، در حالی که ماده معمولی (اتمها) که ما با آن آشنا هستیم، تنها حدود ۵٪ است! باقی کیهان از پدیدهای حتی مرموزتر به نام انرژی تاریک پر شده است.
۲. شواهد تاریخی و مشاهده ای: چرا باور کنیم چیزی هست که نمیبینیم؟ الف) کهکشانهای مارپیچی و منحنیهای چرخش: در دهه ۱۹۷۰،ورا روبین (Vera Rubin) و کنت فورد (Kent Ford) با مطالعه سرعت مدار ستارهها و گازها در کهکشانهای مارپیچی، یک ناهنجاری عجیب کشف کردند. بر اساس قوانین کپلر و نیوتن، انتظار میرفت ستارههایی که در لبههای بیرونی کهکشان به دور مرکز میچرخند، سرعت مداری کمتری نسبت به ستارههای نزدیک به مرکز داشته باشند (مشابه منظومه شمسی که سیارات دورتر مانند نپتون، آهستهتر حرکت میکنند). اما مشاهدات نشان داد که سرعت این ستارهها تقریباً ثابت است، حتی در فواصل بسیار دور از مرکز کهکشان. این "منحنی چرخش مسطح" تنها در صورتی قابل توضیح است که یک هالهی نامرئی از ماده (ماده تاریک)، که جرم آن بسیار بیشتر از جرم قابل مشاهده کهکشان است، ستارهها را در بر گرفته و با گرانش خود، آنها را با سرعت بالا در مدار نگه دارد. ب) خوشههای کهکشانی: فریتز تسویکی(Fritz Zwicky) در دهه ۱۹۳۰ بر روی خوشه کهکشانی "کما" (Coma) مطالعه میکرد. او با دو روش جرم خوشه را اندازهگیری کرد: 1. روش نوری: جمع جرم کهکشانهای قابل مشاهده در خوشه. 2. روش دینامیکی: اندازهگیری سرعتهای تصادفی کهکشانها درون خوشه. کهکشانها با سرعتهای بسیار بالایی در حال حرکت بودند که اگر تنها جرم قابل مشاهده وجود داشت، خوشه باید از هم پاشیده میشد. تسویکی دریافت که جرم دینامیکی محاسبهشده صدها برابر بیشتر از جرم نوری است.او این جرم گمشده را "ماده تاریک" نامید. امروزه نیز اثرات مشابهی در همگرایی گرانشی خوشهها دیده میشود: خوشههای کهکشانی فضا-زمان را به قدری خم میکنند که نور کهکشانهای دوردست پشت سر آنها، مانند یک لنز طبیعی، کج و معوج و بزرگنمایی میشود. میزان این همگرایی نشان میدهد که جرم کل خوشه بسیار بیشتر از جرم مرئیش است. ج) پسزمینهی مایکروویو کیهانی (CMB): نوسانات کوچک در تابش باقیمانده از مهبانگ(بیگ بنگ)، نقشهی اولیهی کیهان را نشان میدهد. الگوی این نوسانات (به ویژه "پیکرهای آکوستیک") بسیار حساس به نسبت ماده تاریک به ماده معمولی است. دادههای دقیق مأموریتهای WMAP و پلانک به طور مستقل تأیید کردهاند که مقدار ماده تاریک باید حدود پنج برابر ماده معمولی باشد تا الگوهای مشاهدهشده در CMB ایجاد شود. این قویترین شاهد مستقل برای وجود ماده تاریک است.
۳. ماهیت ماده تاریک: بزرگترین معما در فیزیک مدرن اگر ماده تاریک از اتمهای معمولی ساخته نشده باشد، پس چیست؟ نظریهها عمدتاً آن را به دو دسته تقسیم میکنند: الف) ذرات زیراتنی: این محتملترین گزینه است.ماده تاریک احتمالاً از ذرات عجیب و غریب و پرجرمی تشکیل شده که برهمکنش ضعیفی با ماده معمولی دارند. این ذرات را به طور کلی WIMPs مینامند (Weakly Interacting Massive Particles). WIMPها تنها از طریق گرانش و احتمالاً نیروی هستهای ضعیف برهمکنش میکنند، به همین دلیل است که ما را "نفوذ" میکنند. گزینههای دیگر شامل اکسیونها (axions، ذراتی بسیار سبک) و نوترینوهای سترون (Sterile Neutrinos) هستند. ب) اجرام فشرده و پرجرم (MACHOs): این نظریه پیشنهاد میکرد که ماده تاریک ممکن است از اجرام نجومی معمولی اما کمنور مانندکوتولههای قهوهای، ستارههای نوترونی مرده یا سیاهچالههای نخستین تشکیل شده باشد. با این حال، مشاهدات ریزهمگرایی گرانشی نشان داده که این اجرام نمیتوانند سهم قابل توجهی در کل ماده تاریک داشته باشند.
۴.ویژگی های ماده ی تاریک: بر اساس شواهد،ماده ی تاریک دارای چند ویژگی کلیدی است: · سرد است: به این معنی که ذرات تشکیلدهنده آن در زمان تشکیل ساختارهای کیهانی، سرعتهای غیرنسبیستی (آهسته) داشتهاند. این ویژگی برای توضیح چگونگی شکلگیری کهکشانها و خوشهها ضروری است. · برهمکنش گرانشی دارد: این واضحترین ویژگی آن است. · برهمکنش الکترومغناطیسی ندارد (تاریک است): با نور برهمکنش نمیکند. · برهمکنش هستهای قوی ندارد: در غیر این صورت در هسته اتمها جمع میشد. · احتمالاً برهمکنش هستهای ضعیف بسیار ضعیفی دارد: این امکان را برای آشکارسازی مستقیم آن در آزمایشگاههای زیرزمینی فراهم میکند.
۵. تلاش برای آشکارسازی: شکار ماده تاریک الف) آشکارسازهای مستقیم: این آزمایشها در اعماق زمین(برای محافظت در برابر تابشهای مزاحم کیهانی) قرار دارند و منتظر هستند تا یک ذره ماده تاریک به طور نادر با هسته یک اتم در آشکارساز برخورد کند. این برخورد باید یک ارتعاش یا حرارت بسیار کوچک ایجاد کند. آزمایشهایی مانند LUX-ZEPLIN, XENONnT و PandaX از پیشرفتهترینهای این زمینه هستند. تاکنون هیچ آشکارسازی قطعی گزارش نشده است. ب) آشکارسازهای غیرمستقیم: اگر ذرات ماده تاریک با یکدیگر برخورد کنند و یکدیگر را نابود کنند،باید محصولات ثانویهای مانند پرتوهای گاما، پادذرات (مانند پوزیترون) یا نوترینوها تولید شود. تلسکوپهای فضایی مانند فرمی (Fermi) به دنبال این سیگنالها از مراکز متراکم ماده تاریک (مانند مرکز کهکشان ما یا کهکشانهای کوتوله) میگردند. ج) تولید در شتابدهندهها: شتابدهندههای ذرات مانندLHC در سرن (CERN) سعی میکنند با برخورد دادن پرانرژی پروتونها، ذرات ماده تاریک را در آزمایشگاه تولید کنند. از آنجایی که این ذرات خودشان آشکارسازی نمیشوند، فیزیکدانان به "انرژی و تکانه گمشده" در برخوردها متکی هستند.
۶. جایگزینها: آیا گرانش را اشتباه فهمیدهایم؟ برخی فیزیکدانان نظریههای جایگزینی مانند دینامیک نیوتونی اصلاحشده (MOND) را پیشنهاد کردهاند. این نظریهها پیشنهاد میکنند که قوانین گرانش نیوتن و اینشتین در مقیاسهای بسیار بزرگ (مانند کهکشانها) نیاز به اصلاح دارند، نه اینکه ماده نامرئی وجود داشته باشد. اگرچه MOND میتواند برخی از مشاهدات کهکشانی را توضیح دهد، اما در توضیح پدیدههایی مانند همگرایی گرانشی در خوشههای Bullet یا الگوهای CMB به شدت ناموفق بوده است. مدل کیهانشناسی استاندارد (شامل ماده تاریک سرد و انرژی تاریک) تاکنون بهترین توصیف از کیهان در مقیاس بزرگ است.
اگر پسندیدی، لایک کن و به سازنده انرژی بده!
من مدت طولانی بود که داشتم با همچین موضوعی ولی هم راجب ماده ی تاریک هم انرژی تاریک می‌ساختم حدود ۱ هفته بیشتر بود و وقتی که میخواستم ببینم کسی نساخته همچین پستی وجود نداشت واقعا معذرت می‌خوام اگه موضوع تستم مقداری شبیه به موضوع شما هم هست الان هم اگر که مشکلی وجود داره من مال خودمو پاک میکنم. باز هم معذرت می‌خوام
آقا خیلی خوب بود عالی
ناظر بودم 💘
ممنون که وقط گذاشتی😉