جهان هستی از کجا شکل گرفته است
علمی و تکنولوژی › جهان هستی
- 97/08/15
اوایل قرن بیستم، زمانی که فیزیکدانان رفته رفته فرآیند درک و شناخت آرایش اتم‌ها را آغاز کرده بودند، به نظر می‌رسید که ما در آستانه‌ی درک اساس کل مواد موجود در جهان خواهیم بود. اما در سال ۱۹۳۳، یک ستاره‌شناس سوئیسی به نام فریتز زوئیکی (Fritz Zwicky) برای نخستین بار این استدلال را مطرح کرد که بخش زیادی از جهان، از پدیده‌ای به طور کامل متفاوت با آنچه که می پنداشته ایم ساخته شده است.هر چیزی در اطراف خود می‌بینید، از بدنتان تا سیاره‌ی زمینی که رویش ایستاده‌اید؛ تا ستارگان آسمان، همه و همه از اتم ساخته شده‌اند. اتم نیز به نوبه‌ی خود از ذرات کوچکتری مانند پروتون و نوترون ساخته شده است که بسیاری از آن ذرات هم می توانند به ذرات و اجزای کوچکتر و بیشتری تجزیه شوند.
بخش زیادی از جهان، از پدیده‌ای به طور کامل متفاوت با آنچه که پنداشته ایم ساخته شده است
زوئیکی تمامی موادی را که می‌توانست در خوشه‌های کهکشانی مشاهده کند، مورد محاسبه قرار داد. او متوجه شد که مقدار ماده‌ی کافی برای نیروی گرانش به منظور نگه داشتن آنها کنار هم وجود ندارد.
ریچارد مسی (Richard Massey) از دانشگاه دورهام انگلستان معتقد است کهکشان‌هایی که زوئیکی مشاهده کرده بود، خودشان نیز در حال چرخش بودند؛ چنان چرخش سریعی که آنها باید از مکان خودپرتاب شده و به تمام گوشه و کنار جهان پراکنده می شدند. هر کهکشان همانند یک چرخ و فلک در حال چرخش با سرعت بیش از حد زیاد است. هر موجودی که سوار این چرخ و فلک می‌شود به سمت پایین پرتاب خواهد شد.
زوئیکی متوجه شد که باید ماده‌ی دیگری نیز وجود داشته باشد؛ ماده‌ای که به طور مستقیم نمی‌توان آن را مشاهده کرد اما یک کشش گرانشی ایجاد می‌کند که برای نگه داشتن همه‌ی کاینات در کنار هم به اندازه‌ی کافی قوی است. وی این فرم ناشناخته از ماده را «تاریک» نامید. در آن زمان اظهارات او غیرعادی به نظر می‌آمدند و تئوری های او از سوی دانشمندان جدی گرفته نمی‌شد. مسی در مورد او چنین می‌گوید:
وی یک نظریه پرداز دیوانه بود، کسی که نمی توانست برآیند نیروها را با همدیگر به دست آورد. در نتیجه یک فرم کاملا جدید از ماده را در ذهن خود اختراع کرد.
زوئیکی یک فرم کاملا جدید از ماده را در ذهن خود اختراع کرد
کار زوئیکی به مقدار زیادی تا دهه‌ی ۱۹۷۰ به فراموشی سپرده شد. در واقع تا زمانی که ورا رابین (Vera Rubin) ستاره شناس کشف کرد که کهکشان های نزدیک به هم، در روند درستی نمی‌چرخند. در منظومه شمسی، یک قانون ساده اعمال می‌شود. بر پایه‌ی این قانون هر چقدر یک سیاره دورتر از خورشید باشد، گرانش لازم برای نگه داشتن آن نیز کمتر خواهد بود. در نتیجه، این سیاره کندتر حرکت خواهد کرد و به زمان بیشتری برای تکمیل مدار نیاز خواهد داشت.
همین منطق را باید به ستاره‌هایی که به دور مرکز کهکشان در گردشند نیز اعمال کنیم. ستاره‌هایی که در دورترین فاصله از مرکز قرار دارند باید با کمترین سرعت حرکت کنند، چون در آن مناطق میزان اثر گرانش تضعیف می‌شود. بر خلاف گفته‌ی اخیر، رابین پی برد که ستارگان دورتر نیز با همان سرعت ستاره‌های نزدیک‌تر حرکت می‌کنند.
عاملی باید در آن دوردست‌ها برای حفظ ستاره‌ها از پرواز به سوی بیرون مدار وجود داشته باشد. در واقع پس از مدت‌ها مشخص شد که زوئیکی در مسیر درستی در مورد این پدیده قرار داشته است.
هر چقدر یک سیاره دورتر از خورشید باشد، گرانش لازم برای نگه داشتن آن نیز کمتر خواهد بود
اخترشناسان هم اکنون معتقدند که ماده‌ی تاریک به عنوان یک ماده‌ی اساسی در ایجاد جهان هستی با آن ویژگی‌هایی که در حال حاضر از آن سراغ داریم، حضور داشته است. تقریبا ۱۴ میلیارد سال پیش، لحظات پس از انفجار بزرگ، انبساط جهان با سرعت فزاینده‌ای آغاز شد و خوشه‌های کهکشانی نیز شروع به شکل‌گیری کردند.
با این حال، گسترش جهان آنچنان هم سریع نبود که در پی این گسترش، تمام کهکشان‌ها به گوشه‌های دوردست پرتاب شوند. دلیل اصلی آن هم این است که ماده‌ی تاریک با وجود نامرئی بودن، باعث نگه داشته شدن همه چیز در کنار هم می‌شود.
به عبارتی می‌توان گفت که ماده‌ی تاریک همانند باد است. ما نمی‌توانیم به طور مستقیم آن را ببینیم، اما می‌دانیم که وجود دارد. حالا سوال اینجاست که این ماده چه مقدار از کل کاینات را تشکیل می‌هد؟ باید بگوییم که مقدار زیادی از این ماده در سراسر کاینات وجود دارد و حدود ۲۵ درصد از جهان هستی را در بر گرفته است.
به طور گیج کننده ای گاهی اوقات گفته می‌شود که ماده‌ی تاریک تا حدود ۸۰ درصد از کل مواد موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. دلیل این بیان آن است که تنها ۳۰ درصد از جهان هستی از ماده ساخته شده و بیشتر همان قسمت نیز ماده تاریک است. بقیه‌ی جهان انرژی است.
تنها ۳۰ درصد از جهان هستی از ماده تاریک ساخته شده که بقیه‌ی جهان انرژی است
در ادامه ی پژوهش ها و تا دهه‌ی ۱۹۸۰، اولین شواهد محکم برای ماده‌ی تاریک به دست آمده بودند. به عنوان مثال، در سال ۱۹۸۱ یک تیم به سرپرستی مارک دیویس (Marc Davis) از دانشگاه هاروارد، یکی از اولین کند و کاوهای کهکشانی را انجام دادند. آنها متوجه شدند که کهکشان‌ها در الگوهای یکنواختی مرتب نشده‌اند. به باور کارلوس فرنک (Carlos Frenk) از دانشگاه دورهام انگلستان:
اینگونه نیست که ماده‌ی تاریک تنها مانند مخلوط خامه‌ای در اطراف یک کیک پاشیده شوند.
بلکه به جای آن حالت، کهکشان‌ها درون خوشه‌های بزرگی جمع می‌شوند که هر یک حاوی صدها هزار کهکشان هستند. این امر باعث می‌شود تا الگوهای پیچیده با عنوان «تارهای کیهانی» شناخته شوند. این تارها به وسیله‌ی ماده‌ی تاریک با هم گره خورده‌اند. به عبارت دیگر، ماده تاریک اسکلتی است که ماده‌ی معمولی روی آن آویخته شده است. کارولین کرافورد (Carolin Crawford) از دانشگاه کمبریج انگلستان می‌گوید:
ما می دانیم که در مراحل اولیه‌ی تشکیل جهان، بودن این ماده لازم بوده است. نگه داشتن همه‌ی آن پدیده‌ها به صورت خوشه‌های کهکشانی بسیار حیاتی بوده است. چرا که در ادامه باعث توسعه‌ی ساختارهایی شده که در حال حاضر می بینیم.
در مراحل اولیه ی تشکیل جهان، بودن ماده تاریک لازم بوده است
به گفته ی فرنک، کشف این خوشه باعث شکل‌گیری یک انگیزه‌ی جدید شد. دیویس که در آن زمان استاد فرنک بود، او را برای کشف اینکه چرا کهکشان ها به این شکل آرایش یافته اند به چالش کشید.
هنگامی که فرنک جستجوهای خود را آغاز کرد، به این نکته پی برد که یک فرد دیگر نیز ادعا کرده که زودتر از او توانسته این موضوع را کشف کند. در سال ۱۹۸۰، یک تیم روسی توسط وی‌ای لیوبیموف VA Lyubimov توانسته بودند یک توضیح محتمل و ممکن را از ماده‌ی تاریک ارایه کنند. آنها پیشنهاد کردند که ماده‌ی تاریک از نوترینوها ساخته شده‌اند.
این پیشنهاد به مقدار تقریبا مطمئنی بامعنی و معقول به نظر می‌رسید. نوترینوها ذرات تاریک و شبح مانندی هستند که به سختی با هر چیز دیگری برهم‌کنش می‌کنند. محققان پیشنهاد کردند که جرم ترکیبی همه‌ی نوترینوها در کل جهان ممکن است با جرم مجهول مورد بحثمان برابری کند و در واقع جای آن را پر کند.
اما در این میان یک مسئله وجود داشت. نوترینوها به صورت «ماده‌ی تاریک بسیار گرم» هستند، بدین معنی که آنها سبک بوده و در نتیجه، قادر به حرکت سریع نیز هستند. هنگامی که فرنک شبیه سازی یک کیهان پر از ماده‌ی تاریک داغ را به انجام رساند، متوجه شد که این مدل نمی‌تواند کارکرد عملی داشته باشد. وی در این مورد چنین گفته است:
ما با ناامیدی بزرگی روبرو شدیم و دریافتیم که جهان با ماده‌ی تاریک داغ به هیچ روی، شبیه جهان واقعی نخواهد بود. آن ایده با اینکه زیبا و مهیج بود اما برای دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم به هیچ وجه عملی نبود. ابرخوشه‌های عظیم کهکشانی که ما می‌شناسیم در این جهان وجود نداشتند.
در نتیجه، ماده‌ی تاریک باید سرد و به آهستگی در حال حرکت بود. قدم بعدی این بود که مکان این ماده‌ی تاریک سرد یافت
اگر چه ما نمی‌توانیم ماده‌ی تاریک را به طور مستقیم مشاهده کنیم، اما ماده‌ی تاریک یک عملکرد بسیار بارز دارد که از طریق آن خود را به ما نشان می‌دهد. ماده‌ی تاریک نور گذرنده از خود را خم می‌کند. این موضوع به مقدار کمی همانند وقتی است که نور از میان یک استخر شنا یا یک پنجره مات حمام عبور کرده و می‌درخشد. این اثر در فیزیک به نام «همگرایی گرانشی» شناخته می‌شود و می‌توان آن را برای تشخیص محل‌هایی که در آن ابرهای ماده‌ی تاریک وجود دارند، استفاده کرد. با استفاده از این روش، دانشمندان در حال ایجاد نقشه‌های از ماده‌ی تاریک موجود در جهان هستی هستند.
