داستان ماده‌ی تاریک در میان مشهورترین و پرطرفدارترین داستان‌های نجومی روز است. داستانی که در آن انسان و دنیای تجربه‌پذیر اطراف او، کسر کوچکی از جهان واقعی را سهیم هستند. جهانی که تلاش دانشمندان در طول تاریخ و به طور خاص در یک دهه‌ی گذشته، آن را برای انسان نمایان ساخته است. ماده‌ی تاریک از یک داستان کوتاه در دهه‌ی ۳۰ میلادی به رمانی بلند تا به امروز بدل شده است. زوبیکی در سال‌های ابتدایی دهه‌ی ۳۰ قرن بیستم، در مطالعه‌ی «خوشه‌ی کهکشانی کما»، به گم‌شدن مقدار قابل توجهی از ماده اشاره کرد و چهل سال بعد، ورا رابین، انحراف زیاد رفتار دینامیکی ستارگان راه شیری را در مقایسه با نظریه‌ها نشان داد.
تصویر ۱. منحنی چرخشی کهکشان راه شیری که سرعت چرخشی را بر حسب فاصله نسبت به مرکز کهکشان نشان می‌دهد. منحنی مشاهده‌شده با رنگ آبی، منحنی پیش‌بینی‌شده با رنگ قرمز، و دایره‌ی زرد، خورشید را نشان می‌دهد. تفاوت این دو منحنی به احتمال زیاد به خاطر وجود ماده‌ی تاریک است. (تصویر از http://www.wikiwand.com/en/Dark_matter_halo برداشته شده است.)
از سال ۱۹۷۰ تا به امروز، ماده‌ی تاریک در رقابت با سایر نظریات موجود، «دینامیک نیوتونی تصحیح شده(۱)» و «گرانش تصحیح شده(۲)» سربلند بیرون آمده است. در سال ۲۰۰۶ و با رصد خوشه‌های کهکشانی برخوردی، مثلا خوشه‌ی گلوله(۳) (مرجع ۲)، ماده‌ی تاریک یک شبه همه‌ی نظریات موجود را کم‌رنگ کرد. با وجود آنکه هنوز هم مقالاتی در توضیح این ناهنجاری‌های رصدی می‌بینیم، اما جامعه‌ی علمی، اکنون وجود ماده‌ی تاریک را پذیرفته است. ماده‌ای که رفتار ذره‌ای داشته و به مانند سایر ذرات مدل استاندارد ذرات بنیادی می‌تواند واپاشی کند یا با پادذره‌ی خود نابود شود. در هر دو حالت، شکل‌گیری سایر ذرات شناخته‌شده در مدل استاندارد ذرات، شامل الکترون، پوزیترون، پروتون، فوتون و نوترینو امکان‌پذیر است. این پیش‌بینی‌ها، تکنیک جدیدی را در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد تا به جستجوی ماده‌ی تاریک بپردازند. جستجویی که در چند سال اخیر با پیشرفت ابزارهای آشکارسازی شروع شده است.
نکته‌ای که باید در نظر داشت این است که مدل استاندارد ذرات با وجود موفقیت‌های بسیار در توضیح بسیاری از پدیده‌ها، در ارائه‌ی یک نظریه‌ی جامع و محکم در مورد ماده‌ی تاریک با مشکلاتی همراه بوده است. در چند دهه‌ی گذشته تلاش‌ها برای معرفی کاندیدایی مناسب به عنوان ماده‌ی تاریک به معرفی ذرات متعددی منجر شده است. حتی نظریات جایگزین مدل استاندارد مانند «ابرتقارن» نیز وارد رقابت شده‌اند. هرکدام از این کاندیداها، انرژی و جرم‌های گوناگونی را شامل می‌شوند و در فرآیندهای زوال و واپاشی، طیف متفاوتی از ذرات و انرژی‌ها را می‌دهند. بنابراین، آشکارسازی ماده‌ی تاریک به این روش، جستجویی وسیعی است در گستره‌ی بزرگی از طیف انرژی ذرات.
ذرات تولیدشده در فرآیندهای زوال و واپاشی (شامل الکترون، پوزیترون، پروتون، فوتون و نوترینو) ویژگی‌های متفاوتی داشته و با توجه به این ویژگی‌ها، مزیت‌ها و مشکلاتی را بر سر راه منجمان قرار می دهد. الکترون، پوزیترون و پروتون ذراتی با بار الکتریکی هستند که تحت تأثیر میدان مغناطیسی کهکشان راه شیری منحرف می‌شوند و به صورت ذراتی پراکنده، از هر طرف، به آشکارسازهای زمینی می رسند. این پراکندگی هرگونه اثری از منبع شکل‌گیری این ذرات را پنهان می کند.
در مقابل، نوترینو و فوتون ذراتی خنثی و بدون بار الکتریکی هستند و در نتیجه، جهت قرارگیری منبع آن‌ها قابل تشخیص است. چنین ویژگی‌ای، نوترینو و فوتون را به ابزار بهتری نسبت به سایر ذرات باردار تبدیل می کند. نوترینو، ذره‌ای نسبیتی و با جرم و سطح‌مقطع بسیار کوچک است که همین ویژگی، آن را به یکی از سخت‌ترین اهداف برای آشکارسازی تبدیل می‌کند. در شرایط خاص، تنها تعداد انگشت‌شماری از نوترینوها در یک سال ثبت می‌شود، درحالی‌که در هر لحظه میلیون‌ها نوترینو تنها از یک انگشت شما عبور می‌کنند بی‌آنکه به دام آشکارسازهای ما بیفتند!
اما فوتون،به سادگی قابل آشکارسازی است. سلول‌های چشم ما به بازه‌ای از طیف انرژی فوتون حساس هستند و آشکارسازهایی جهت ثبت فوتون در بازه‌های مختلف طیف از رادیویی تا ایکس و گاما در چند دهه‌ی اخیر ساخته شده است. بنابراین با توجه به همه‌ی این حرف ها، فوتون به یک هدف مطمئن و مناسب در جستجوی غیرمستقیم ماده‌ی تاریک تبدیل می‌شود.
شکل ۲. نمایی از کهکشان‌ها، هاله و زیرهاله‌ها در یک شبیه‌سازی کامپیوتری.
ذرات و کاندیداهای ارائه‌شده به عنوان ماده‌ی تاریک، در مدل استاندارد یا سایر مدل‌های غیراستاندارد، همگی در پرجرم‌بودن ذره‌ی ماده‌ی تاریک اتفاق نظر دارند. پرجرم‌بودن ذره به معنی زیادبودن انرژی سکون این ذره بوده که در صورت واپاشی یا زوال، آزاد می‌شود. پس به جا است که انتظار داشته باشیم فوتون‌های تولیدشده در این فرآیندها، بسیار پرانرژی باشند. چنین فوتون‌های پرانرژی در ناحیه‌ی گاما، طیف مرئی، و در مواردی ایکس قرار می‌گیرند. به این دلیل تلسکوپ‌های پرتو گاما و نجوم در طول موج گاما، اهمیت زیادی در مطالعه‌ی ماده‌ی تاریک داشته و به عنوان یک ابزار مهم شناخته می‌شود.
بنابراین، مشاهده‌ی غیرمستقیم ماده‌ی تاریک نیازمند جستجوی ردپای آن در فوتون‌های پرانرژی گاما است. البته این تنها راه نیست. مطالعات اخترفیزیکی به ویژه هم‌گرایی گرانشی در دهه‌های اخیر، نقشه‌ای کلی از توزیع ماده‌ی تاریک در کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و ساختارهای بزرگ عالم به دست آورده است. این مطالعات نشان می‌دهد که ماده‌ی تاریک، با وجود ناشناخته‌بودن طبیعت آن، در کدام نواحی بیشتر و متمرکزتر است. از آنجا که نرخ واپاشی و زوال به ترتیب با چگالی و مربع چگالی متناسب هستند، مناطقی با چگالی بیشتر، شانس بیشتری را جهت آشکارسازی ردپای ماده‌ی تاریک در اختیار ما قرار می‌دهند.
با توجه به شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیشرفته (شکل ۲) و رصدهای دقیق در چند سال اخیر، دانشمندان به این باور رسیده‌اند که گروه‌ها و خوشه های کهکشانی توسط هاله‌ای نسبتاً کروی از ماده‌ی تاریک فرا گرفته شده‌اند. این هاله در مرکز چگال‌تر بوده و در فواصل دورتر از مرکز، چگالی به تدریج کاهش می‌یابد. کهکشان‌ها و اعضای گروه یا خوشه نیز درون این هاله پراکنده شده‌اند و هاله‌ای کوچک‌تر و کم‌جرم‌تر از ماده‌ی تاریک هرکدام را فراگرفته است. این هاله‌های کوچک‌تر یا زیرهاله‌ها نیز در نواحی مرکزی خود (و مرکز کهکشان) ماده‌ی تاریک بیشتری داشته و چگال‌ترند.
با تکیه به نتایج به‌دست‌آمده در شبیه‌سازی‌ها و تطبیق آن‌ها با رصدهای انجام‌شده، انتخاب مناطق چگال‌تر به عنوان اهداف مناسب در جستجوی غیرمستقیم ماده‌ی تاریک تصمیم به‌جایی است. مهم‌ترین این اهداف که تا به امروز مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، نواحی مرکز راه شیری، کهکشان‌های کوتوله‌ی اطراف راه شیری و و نواحی مرکزی خوشه‌های کهکشانی هستند. هر یک از این اهداف، مزایا و معایب خود را داشته که در مجموع آن‌ها را به اهدافی مناسب تبدیل می‌کند.
شکل ۳. آسمان در طول موج گاما – تصویربرداری شده توسط Fermi-LAT
مرکز راه شیری، به دلیل نزدیکی آن به منظومه‌ی شمسی و ما، جایگاه متفاوتی داشته که اهمیت آن را دو چندان می‌کند. اما این منطقه، سرشار از رویدادهای اخترفیزیک پرانرژی و منابع گاما و ایکس است و شلوغی زمینه، جستجو برای ردپای احتمالی ماده‌ی تاریک را سخت‌تر از پیش می‌کند. در نقطه‌ی مقابل، کهکشان‌های کوتوله‌ی اطراف راه شیری با وجود آنکه در فاصله‌ی بیشتری نسبت به ما قرار داشته و چگالی کمتری دارند، عاری از منابع پرانرژی گاما بوده و در نتیجه، عدم وجود زمینه‌ی مزاحم در داده‌ها، آن‌ها را در میان اهداف مناسب قرار داده است. ورای کهکشان راه شیری و گروه محلی، خوشه‌های کهکشانی هدف دیگری هستند که با توجه به فاصله‌ی زیادشان، محدودیت‌های بیشتری دارند.
از سال ۲۰۰۸، زمانی که تلسکوپ فضایی Fermi ماموریت خود را در فضا شروع کرد و به رصد آسمان در طول‌موج گاما پرداخت تا به امروز، مجموعه‌ای از رصدها و داده‌های جمع‌آوری‌شده در کنار هم قرار گرفته‌اند و تا اواخر سال ۲۰۱۵ (مرجع ۳ و ۴)، نتیجه‌ی این بررسی‌ها گزارش شد (شکل ۳). در مجموع رصدهای فرمی، و سایر تلسکوپ‌های گاما، HESS، MAGIC، VERITAS، هیچ سیگنال قابل توجهی از واپاشی یا زوال ماده‌ی تاریک به دست نیامده است. البته سیگنال مشکوک در انرژی ۱۳۰GeV در مرکز کهکشان (مرجع ۵) و یا خط طیفی ۳٫۵KeV در طول‌موج پرتوهای ایکس (مرجع ۶) از جمله مواردی هستند که تا به امروز منشاء قطعی آن‌ها مشخص نشده و موضوع بسیاری از بحث‌ها و جدل‌ها در این زمینه هستند. پروژه‌های پیش‌رو مانند CTA، PAMELA و UHECR با حساسیت و دقت بیشتر، تا چند سال آینده کار خود را شروع خواهند کرد. باید صبر کرد تا شاید این تلسکوپ‌ها بتوانند جواب قابل قبولی برای سؤالات ما پیدا کنند.
(۱) MOND
(۲) Modified Gravity
(۳) Bullet Cluster
منابع:
https://arxiv.org/pdf/1604.00014v1.pdf
http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0608407v1.pdf
https://arxiv.org/pdf/1503.02641v2.pdf
http://arxiv.org/pdf/1503.02641v2.pdf
http://arxiv.org/pdf/1510.00358v2.pdf
https://arxiv.org/pdf/1205.1045v5.pdf
جهت مطالعه‌ی بیشتر :
https://arxiv.org/pdf/1604.00014v1.pdf
https://arxiv.org/pdf/1605.04909v1.pdf
گردآوری: تیمور سیف‌اللهی
سوالی که برای من پیش اومد این هست که با توجه به میزان چگالی بالای ماده تاریک که انتظار میره واپاشی انرژی از نوع نور داشته باشه، چرا انقدر رصد کردنش سخته، حتی با توجه به نویز های منابع دیگر گاما ، آیا ماده ی تاریک اینقدر زیاد نیست که حداقل روی کاغذ بتونه مقدار زیادی فتون ساطع کنه؟
سوال بعدی اینکه آیا ممکنه ماده ی تاریک فقط از طریق گرانش با ماده ی عادی برهم کنش داشته باشه و نه از طریق نور؟
در مورد سوال اول، باید بگم که سوال بسیار خوبی هست. باید در نظر داشته باشیم که چگالی محاسبه برای شده ماده تاریک در این مناطق از عدم قطعیت زیادی برخوردار است که این موضوع در دقت پیش بینی ها تاثیرگذار است. همین طور منابع پرانرژی ناشناخته دیگری به خصوص در مرکز کهکشان ها میتوانند وجود داشته باشند و رصد هر تابش ناشناخته به معنای آشکارسازی فرآیندهای مرتبط با ماده تاریک نیست. و نکته آخر اینکه تمامی این رصدها بر مبنای پیش بینی های تئوری برنامه ریزی شده است. شاید جایی از تئوری مشکل داشته باشد و یا شاید انرژی فوتون ها پرانرژی تر از دامنه حساسیت تلسکوپ های حال حاضر باشد. پروژه های آینده به بازه وسیع تری از انرژی حساسیت دارند و فیزیکدانان بسیار به آن ها خوش بین هستند !
و اما سوال دوم شما ! تا به امروز به نظر می رسد که ماده تاریک ذره ای پرجرم با برهمکنش (غیرگرانشی) بسیار ضعیف با ماده و با سایر ذرات ماده تاریک باشد . یعنی این برهم کنش وجود داشته اما بسیار ضعیف است ( وبه معنای عدم برهم کنش نیست). در فرآیندهای نابودی و واپاشی نیز هیچ برهم کنشی با ماده باریونی (عادی) در نظر گرفته نشده است. اما این که چه چیزی می تواند ممکن باشد، هر چیزی امکان پذیر است !
آیا ممکن است که ماهیت ماده تاریک و ابعاد اضافی به نحوی به هم مرتبط باشد؟واینکه ایا نظریه ای است که چنین پیش بینی را بیان کند؟
تا جایی که بنده اطلاع دارم، تئوری هایی در این زمینه وجود دارد. از معروف ترین آن ها تئوری kaluza-klein بوده که مطالب بسیار در رابطه با آن روی اینترنت موجود است. تنها کافی است عنوان آن را جستجو کنید.