جدید ترین عناوین خبری امروز
مجله علمی کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

فوتون تاریک

آیا فوتون تاریک مسئول پنجمین نیروی بنیادی حاکم بر جهان ما است؟

امروزه فیزیکدانان نگاه خود را به قسمت‌های تاریک و مبهم جهان دوخته‌اند، تا بتوانند دلایلی را که باعث ایجاد و شکل‌گیری جهان ما و کهکشان‌های درون آن شده است، پیدا کنند. درواقع گروهی از پژوهشگران در پس هر سنگ کیهانی، به‌دنبال فوتون تاریک می‌گردند تا شاید اثری از وجود یک نیروی ناشناخته‌ی دیگر بیابند. ممکن است این فوتون‌ها به‌عنوان واسطه‌ای در اندرکنش‌های میان ماده‌ی طبیعی و ماده تاریک عمل کنند.

مدت‌هاست که دانشمندان دریافته‌اند، جهان ما به وسیله‌ی چهار نیروی بنیادی، منبسط و منقبض می‌شود. بنابراین مسئله این است که اگر نیروی پنجمی هم وجود داشته‌باشد، چطور ممکن است تابه‌امروز آن را مشاهده نکرده باشیم!

این چهار نیرو، درواقع سنگ‌بنای وجود ما را تشکیل می‌دهند:

  • نیروی مطلق کوتاه‌برد و قوی هسته‌ای که هسته‌های اتم را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد.
  • نیروی مبهم و ضعیف هسته‌ای که واپاشی‌های رادیواکتیو را کنترل کرده و بر ذرات زیراتمی به نام نوترینو اثر می‌گذارد.
  • نیروی الکترومغناطیس که بر تمامی جنبه‌های زندگی ما حاکم است.
  • نیروی گرانش که در میان این چهار نیرو، ضعیف‌ترین نیرو است.

فیزیکدانان با استفاده از این چهار نیروی بنیادی، توانستند جهان زیراتمی و میکروسکوپی را بهتر بشناسند. در حقیقت اندرکنشی در جهان ما وجود ندارد که تحت‌تاثیر حداقل یکی از این نیروها نباشد. با این حال، در مقیاس‌های بزرگ هنوز هم اسرار زیادی به‌خصوص درباره‌ی این‌گونه اندرکنش‌ها وجود دارد که هنوز نتوانسته‌ایم به آن‌ها پی ببریم. وقتی به کهکشان‌ها و فراتر از آن‌ها می‌نگریم، با پدیده‌ای شک‌برانگیز به نام ماده تاریک مواجه می‌شویم.

آیا ماده تاریک ماده‌ای معمولی است یا نیروهای ناشناخته‌ای را در چنگال خود پنهان نموده است؟ اکنون گروهی از فیزیکدانان سراسر جهان، پیشاپیش بخشی از تحقیقات خود را به صورت آنلاین در مجله‌ی arXiv منتشر نموده‌اند. آن‌ها از داده‌های به‌دست آمده از برخورددهنده‌ی بزرگ هادرونی، که بزرگترین برخورددهنده‌ی اتم در جهان است، استفاده کردند تا چنین نیرویی را پیدا کنند.

امکان وجود دیسکی از ماده تاریک در کهکشان راه شیری

تا‌به‌امروز تحقیقات آن‌ها نتیجه‌ی خاصی در بر نداشته است که البته از برخی جوانب، اتفاق خوبی است. چون به این معنی است که قوانین فیزیکی که تا به حال شناخته‌ایم، صحیح می‌باشند؛ اما هنوز نمی‌توانیم وجود ماده تاریک را توجیه کنیم.

گمشده در تاریکی

ماده تاریک یک شکل فرضی از ماده است که گفته می‌شود حدود ۸۰ درصد کل جهان اطراف ما را تشکیل می‌دهد. ما واقعا نمی‌دانیم چه‌چیزی باعث وجود این ماده‌ی نامرئی شده‌است. اما می‌دانیم که ماده تاریک وجود دارد و بزرگترین سرنخی که از وجود چنین ماده‌ای داریم، وجود گرانش است.

با مطالعه‌ی حرکت ستارگان درون کهکشان‌ها و کهکشان‌های درون خوشه‌های کهکشانی و همچنین نحوه‌ی دگرگونی و تکامل بزرگترین اجرام کیهانی، ستاره‌شناسان تقریبا به این نتیجه رسیده‌اند که چیزهای زیادی در این جهان وجود دارد که قادر به دیدن آن‌ها نیستیم.

نام بهتری که برای ماده تاریک وجود دارد، ماده‌ی نامرئی است. از آن‌جا که ماده‌ی تاریک با نور هیچ واکنشی نمی‌دهد، از طریق تاثیرات گرانشی که این ماده روی محیط اطراف خود می‌گذارد، می‌توانیم به وجود آن پی ببریم، چرا که هیچ‌چیز از چشم جهان‌بین آلبرت اینشتین دور نمی‌ماند.

به این دلیل این موضوع را می‌دانیم چون اگر ماده‌ی تاریک با نور واکنش می‌داد، یا حداقل جوری که ما درباره‌ی اندرکنش نور با ماده‌ی عادی اطلاع داریم، با نور واکنش می‌داد، باید تابه‌امروز این ماده‌ی مرموز را مشاهده می‌کردیم. اما تا آن‌جا که می‌دانیم ماده‌ی تاریک، یا هر چیزی که هست، نور را جذب، بازتاب، پراکنده و یا حتی تابش نمی‌کند. برای ماده تاریک، نور یک عنصر نامطلوب است و حتی ممکن است از دید آن نور اصلا وجود نداشته باشد.

جرم کهکشان راه شیری چقدر است؟

این احتمال وجود دارد که الان گروهی از ذرات ماده‌ی تاریک، در بدن شما جریان داشته باشند. حجم عظیمی از این جریان بی‌پایان، می‌تواند سرنوشت کهکشان‌ها را از طریق تاثیرات گرانشی خود تعیین نماید، اما بدون حتی یک سلام از درون ماده‌ی طبیعی می‌گذرد. می‌دانم بی‌ادبی است اما ما ماده‌ی تاریک را این‌گونه می‌شناسیم.

تاثیر ماده تاریک بر نور

از آن‌جا که نمی‌دانیم ماده‌ی تاریک از چه به‌وجود آمده است، آزادیم به هر شکلی که به کلیت موضوع لطمه‌ای وارد نکند، با دلایلی واقعی یا غیرواقعی وجود آن را توجیه کنیم. ساده‌ترین تصویر از ماده تاریک، به ما نشان می‌دهد که این ماده، وسیع و بنیادین است. بله، بخش عظیمی از کل جرم کیهان، به دلیل وجود ماده‌ی تاریک است و این ماده هم از یک ذره‌ی بسیار نیرومند تشکیل شده که چیزی جز جرم ندارد.

درواقع این ماده را تنها توسط گرانش می‌توان آشکارسازی کرد و در غیر این صورت چون با نیروهای دیگر اندرکنشی ندارد، قابل آشکارسازی نیست. به‌همین دلیل هرگز نمی‌توانیم فقط از طریق مشاهده، نگاهی اجمالی به ماده تاریک بیندازیم.

با این حال توجیه‌های غیرواقعی این موضوع بسیار جالب‌تر هستند. هنگامی‌که حوصله‌ی نظریه‌پردازان سر می‌رود، شروع به ایده‌‌پردازی برای توجیه وجود و چگونگی ماده تاریک می‌کنند و از آن مهم‌تر این‌که چگونه می‌توانند آن را آشکارسازی کنند. جالب‌ترین نظریه‌ای که تاکنون درباره‌ی ماده تاریک مطرح شده، این است که امکان دارد این ماده از طریق نیروی هسته‌ای ضعیف، بر ماده‌ی عادی اثر بگذارد. امروزه این ایده، الهام‌بخش بسیاری از آزمایشات و آشکارسازهای موجود در جهان است.

ماده‌ی تاریک در کهکشان‌های در حال مرگ، متفاوت عمل می‌کند

اما طبق این نظریه هم تنها چهار نیرو در طبیعت وجود خواهد داشت. اگر ماده تاریک یک ماده‌ی از پیش‌شناخته‌شده نباشد، بنابراین کاملا منطقی است، چون اصلا نمی‌دانیم فرضمان درست است یا نه، که فرض کنیم این ماده سرشار از یک یا دو نیرویی است که تا به حال ناشناخته مانده است. کسی چه می‌داند؟ حتی ممکن است این نیروی احتمالی سبب شود که ماده تاریک تنها بر ماده‌ی تاریک اثر بگذارد یا ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک را در هم بپیچد، این مسئله نیز هنوز برای ما قابل فهم نیست، یا حتی ممکن است یک کانال ارتباطی جدید، میان بخش‌های تاریک و عادی جهان ما ایجاد کند.

فوتون تاریک برمی‌خیزد!

یکی از راه‌های ارتباطی پیشنهادشده میان نور و قلمروی ماده‌ی تاریک، چیزی به نام فوتون تاریک است. این فوتون چیزی شبیه به فوتون‌های نور مربوط به نیروی الکترومغناطیس می‌باشد. ما نمی‌توانیم با حواس پنج‌گانه‌ی خود وجود فوتون‌های تاریک را حس کنیم. اما آن‌ها ممکن است با جهان ما در هم آمیخته باشند. در این صورت ماده‌ی تاریک، فوتون‌های تاریکی تابش خواهد کرد که ذرات نسبتا پرجرمی هستند. به عبارت دیگر آن‌ها برخلاف فوتون‌های نور،  فقط تاثیرات کوتاه‌برد خواهند داشت. اما گاهی یک فوتون تاریک می‌تواند با یک فوتون نور معمولی واکنش داده و انرژی و مسیر آن را تغییر دهد.

البته این پدیده‌ای بسیار نادر است. در غیر این صورت باید مدت‌ها پیش متوجه می‌شدیم که چیزی بر نیروی الکترومغناطیسی که می‌شناسیم، اثر گذاشته است. بنابراین حتی به کمک فوتون‌های تاریک هم نمی‌توانیم ماده‌ی تاریک را مستقیما مشاهده کنیم. اما می‌توانیم اثرات وجود آن را از طریق برخی اندرکنش‌های الکترومغناطیسی آشکارسازی نماییم. در بخش بسیار کوچکی از این اندرکنش‌های الکترومغناطیسی، ممکن است یک فوتون تاریک از طریق واکنش با یک فوتون نور، انرژی آن را برباید.

آیا به کشف جهان تاریک نزدیکیم؟

اما همان‌طور که گفته شد، برای آشکارسازی چنین پدیده‌ای نیاز به این اندرکنش‌های الکترومغناطیسی داریم. در حقیقت برای تولید چنین شرایطی، ماشین‌های غول‌پیکری ساخته‌ایم. پس هنوز شانسی برای مشاهده‌ی این پدیده وجود دارد.

فیزیکدانان، در مقاله‌ای که در مجله‌ی arXiv منتشر کرده‌اند، نتایج ۳ سال اطلاعات به‌دست آمده از ابرسینکروترون پروتونی، که دومین شتاب‌دهنده‌ی بزرگ ذرات در سرن است، را گزارش نموده‌اند. برای این آزمایش، دانشمندان پروتون‌ها را به ذرات زیراتمی مربوط به یک آجر خردشده برخورد دادند و تمام اثرات بعدی آن را تحت‌نظر گرفتند.

محققان در این برخورد، تعداد زیادی الکترون مشاهده کردند. طی این ۳ سال، دانشمندان توانستند بیش از ۲۰ میلیارد الکترون با انرژی بالای ۱۰۰ گیگا الکترون ولت را بشمارند. همان‌طور که می‌دانیم الکترون‌ها ذرات بارداری هستند که تمایل به واکنش با یکدیگر دارند. در نتیجه‌ی این فعل و انفعالات، الکترون‌های پرانرژی، تعداد زیادی فوتون تولید می‌کنند. بنابراین اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته‌باشند، احتمال می‌رود با این فوتون‌ها واکنش داده و انرژی یکی از این فوتون‌های عادی را بربایند. این پدیده در آزمایش، به‌عنوان از بین رفتن نور شناخته می‌شود.

با این‌که این جستجو برای فوتون‌های تاریک بدون نتیجه بود، اما این آزمایش نمی‌تواند دلیلی بر رد وجود فوتون‌های تاریک باشد. مقدار فوتون‌های عادی که انتظار می‌رفت در این آزمایش به‌وجود بیایند به‌صورت کامل و بدون هیچ‌گونه کاستی در انتهای آزمایش وجود داشتند. در عوض ویژگی‌های قابل قبول این ذرات را محدود می‌کند. اگر این فوتون‌ها وجود داشته‌باشند، انرژی کمی خواهند داشت و به‌ندرت با فوتون‌های عادی واکنش خواهند داد. مقدار این انرژی با توجه به نتیجه‌های به‌دست آمده از آزمایش، کمتر از یک گیگا الکترون‌ولت است.

ماده تاریک از چه چیزی تشکیل شده است ؟

جستجو برای مشاهده‌ی فوتون‌های تاریک همچنان ادامه خواهد داشت. هرچند ممکن است با انجام آزمایش‌های بعدی و بدون نتیجه ماندن این پروژه، پرونده‌ی این ذره‌ی زیراتمی به کلی بسته شود.


مترجم: عاطفه شریعتی مقدم/ ویراستار: زهرا جعفریان/ تحریریه‌ی رسانه‌ی علمی کیهان‌شناس

منبع: livescience

 دسته‌ها:
       
برچسب‌ها:
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

ماه‌گرفتگی چیست
ماه‌گرفتگی چیست و ماه‌گرفتگی بعدی چه زمانی اتفاق می‌افتد؟
62
کشف ماده ژله‌ای در ماه
کشف ماده ژله‌ای توسط کاوشگر چینی در قسمت پنهان ماه
183
گذر کاوشگر خورشیدی پارکر
سومین گذر کاوشگر خورشیدی پارکر از نزدیکی خورشید
97
بارش شهابی برساووشی
چرا بارش شهابی برساووشی سالی یک‌بار اتفاق می‌افتد؟
70
سیاره پرجرم
دومین سیاره پرجرم در مدار ستاره‌ی همسایه‌مان پیدا شد
100