در نظر داشته باشید که ماده‌ی تاریک «یافت» نشده است! ماده‌ی تاریک در مدل‌هایمان «تعریف» یا «خلق» شده است. حتی مانند پادالکترون در مدل‌ها «یافت» نشده است که بعداً در طبیعت مشاهده یا کشف شود. بلکه صرفاً برای اینکه مدل‌هایمان با داده‌ها جور در بیاییند آن را «خلق» یا «تعریف» کرده‌ایم. این پرسش باعث شد به همراه یکی از دوستانم یک مقاله‌ی نسبتاً بلند در مورد اینکه «آیا ماده‌ی تاریک وجود دارد یا خیر؟ بخش نخست: مقایسه‌ی تاریخی» بنویسیم تا روی سایت منتشر کنیم‌.  به این خاطر واقعا از شما ممنونم که این پرسش را مطرح کردید و همینطور معذرت می خواهم که جواب کمی دیر منتشر شد.

پس ماده‌ی تاریک «یافت» نشده است، «تعریف» شده است. حالا می‌توان از خواصی که برای آن «تعریف» کردیم صحبت کنیم. منشاء خلق ماده‌ی تاریک (در بخش سوم آن مقاله به طور مفصل بحث خواهد شد)‌ مشاهده‌ی خوشه‌های کهکشانی بود (در سال ۱۹۳۲) که کهکشان‌ها در آن‌ها سرعت‌های خیلی زیادی داشتند. طولی که با تنها با ماده‌ی معمولی به هیچ وجه آن خوشه‌ها نمی‌توانستند از لحاظ گرانشی پایدار بمانند (تا جایی که ما فکر می‌کنیم پایداری گرانشی را می‌شناسیم)! مفهوم ماده تاریک (ماده‌ای که با فرضش بتوان پایداری گرانشی اون سیستم‌ها را توجیه کرد)‌ از اینجا بود که وارد نجوم و حالا ذرات بنیادین شده است. بعد از آن در سال ۱۹۳۹ دیده شد که سرعت چرخش کهکشان آندرومدا آن‌طور که از جرم ستاره‌های آن انتظار می‌رفت، با دوری از مرکز آن کم نمی‌شود! اخیراً هم که لنز‌های گرانشی مشاهده شده‌اند که با دانش امروزی ما تنها می‌توان با همان فرض اولیه‌ی ماده‌ی تاریک آن‌ها را پاسخ داد. مشاهدات دیگری نیز وجود دارد که فعلاً وارد جزییات نمی‌شوم. در بخش سوم آن مجموعه مقاله مفصل به این موضوع خواهیم پرداخت.

Galaxy Cluster Abell 1689
HST ACS WFC
H. Ford (JHU)

شکل ۱. لنز‌های گرانشی موجود در خوشه‌ی کهکشانی آبل ۱۶۸۹. لنز گرانشی در ساختار نسبیت عام قابل توضیح است اما جرمی که ما برای ستاره‌ها و گازهای موجود در کهکشان‌ها تعریف می‌کنیم نمی‌تواند به اندازه‌ای باشد که این لنز های به این عضمت را درست بکند. پس مجبوریم فرض کنیم که ماده‌ای دیگر در آنجا وجود دارد که قابل دیدن نیست و «تاریک» است.

بشر بیشتر تمایل دارد مدل را بر داده ارجح بداند (در آن مقاله مفصل بحث شده است) به خاطر همین  ما امروز از ماده‌ی تاریک حرف می‌زنیم. در حالی که با همان قطعیت می‌توانیم از ضعف مدل‌هایمان حرف بزنیم و اینکه باید مدل‌هایمان را بازنویسی کنیم. تعدادی از دانشمندان مشغول این کار هستند. آنها می‌گویند از آنجایی که داده‌ها با مدل سازگار نیستند پس بیایید فرض کنیم مدل (شناخت ما از مفهوم دینامیک و گرانش)‌ مشکل دارد. آن‌ها مدلی به نام گرانش اصلاح شده معرفی کرده‌اند که متاسفانه زیاد در بین منجمان طرفدار پیدا نکرده است و سرمایه‌گذاری چندانی روی آن انجام نشده است. متاسفانه شبیه‌سازی‌های بسیار گران (با ابررایانه‌های اختصاصی) لازم است که بیشتر آن‌ها بر مبنای فرض وجود  ماده تاریک انجام می‌شوند تا گرانش اصلاح شده. البته منظورم از این حرف حمایت از این مدل نیست! این مدل هم تلاشی برای توجیه مشاهداتی است که با شناخت فعلی ما از طرز کار گیتی سازگار در نمی‌آید!

موافقان وجود ماده تاریک آزمایش‌های زیادی انجام دادند که یکی از آن‌ها همین ماه پیش تمام شد و موفق نشد چیزی که ما ماده تاریک تعریف می‌کنیم را مشاهده کند. ممکن است واقعاً ماده‌ی تاریک وجود داشته باشد، اما با شرایطی که ما انتظار داشتیم دیده نشود یا اینکه اساساً وجود نداشته باشد و مشکل در مدل‌هایمان باشد. تا به امروز ما هیچ امیدی به انتخاب از بین این دو گزینه نداریم. البته منجمان بیشتر امیدوارند گزینه‌ی اول درست باشد. چون بازنویسی کل دانش ما از طبیعت کار ساده ای نیست! آن مجموعه مقاله دقیقاً به همین موضوع خواهد پرداخت.

پس اگر وجود ماده تاریک را فرض کنید، بر مبنای توضیحات بالا، تا جایی که ما فعلاً توانستیم ماده‌ی تاریک رو تعریف کرده‌ایم، به نظر میاد تنها ارتباطی که این ماده با «ماده‌ی معمولی» دارد از طریق گرانشش هست. اگر ارتباط الکترومغناطیسی داشت باید دیده می‌شد یا اینکه جلوی نور اجرام نورانی پشتش،  در طیف‌های قابل سنجش را می‌گرفت که به نظر نمی‌آید دارد می‌گرد! به عنوان مثال با وجودی که مدل‌ها می‌گویند کهکشان‌ها (از جمله همین کهکشان خودمون!) هاله‌ی خیلی عظیم از ماده‌ی تاریک دارد به نظر می‌آید ما خیلی شفاف گیتی فرا‌کهکشانی رو می‌بینیم! اینجا دوباره تاکید می‌کنم که «به نظر می‌آید». به این دلیل که ما تا حالا از کهکشان خارج نشده‌ایم و ندیدیم که  گیتی از دید یک ناظری که در فضای بین‌کهکشانی قرار دارد چه شکلی است! متاسفانه نسبت به عمر گیتی مشاهدات ما هم بسیار بازه‌ی زمانی کمی را پوشش می‌دهد (کمتر از ۱۰۰ سال از عمر ۱۳ میلیارد سالی گیتی) و تا آینده‌ای که می‌توانیم پیش‌بینی کنیم، تنها می‌توانیم از حوالی زمین به دیدن و شناخت گیتی بنشینیم! پس تا جایی که مدل‌های امروز با داده‌های بسیار محدودمان به ما می‌گویند «ماده‌ی تاریک» هیچ واکنش الکترومغناطیسی با «ماده‌ی معمولی» ندارد یا اگر دارد بسیار بسیار ضعیف است.

پس فعلاً  تنها برهمکنشی که برای ماده‌ی تاریک تعریف کرده‌ایم گرانش آن است. از آنجایی که طبق مدل‌‌های امروز ماده تاریک بیشتر جرم «ماده» رو در گیتی تشکیل می‌دهد. پس هر جایی که ما تراکم ماده تاریک داریم «ماده‌ی معمولی» هم (به خاطر نیروی گرانشی ماده‌ی تاریک) به ماده‌ی تاریک خواهد «چسبید» یا به زبان دقیق‌تر به سمت آن جذب خواهد شد.

بذارید در نهایت بگم که حتی آن‌هایی که وجود ماده‌ی تاریک را  قبول کردند امروز سر اینکه این ماده‌ی تاریک «سرد» هست یا «گرم» با هم مشکل دارند! در مقیاس‌های بزرگ ماده‌ی تاریک سرد به نظر بهتر می‌تواند مشاهدات را توضیح بدهد و در مقیاس‌های کوچک ماده‌ی تاریک گرم‌تر! بعضی‌هاشان هم برای اینکه میانه‌رو تر هستند و می‌خواهند از خوبی‌های هر دو مدل استفاده کنند پیشنهاد ماده‌ی تاریک «ولرم»‌ رو دادند! تفاوت اینها دقیقاً سر همین ماهیت «چسبیدن» ماده‌ی تاریک به «ماده‌ی معمولی» هست. هر کسی بتواند جواب این سوال که شما مطرح کردید رو پیدا کنه جایزه نوبل که هیچی! اسمش میره کنار ارسطو و گالیله و کپلر و نیوتن و احتمالاً باعث خواهد شد نظریه‌پرداز‌ها کل نظریه‌ی استاندارد ذرات بنیادین و کیهان‌شناسی رو از اول بنویسند! ببینیم این اتفاق اصلاً خواهد افتاد؟ یا اگر اتفاق خواهد افتاد کی اتفاق می‌افتد؟ ۲۰ سال دیگه؟ ۵۰ سال دیگه؟‌ یا نکنه یک دفعه بشریت مجبور بشود دوباره  ۲۰۰۰ سال صبر کنه (پانویس ۱)! من که دارم خودم برای پاسخ به این پرسش تلاش می کنم. اگر برای شما هم این پرسش مهمه بیایید کمک.

–——————

پانویس ۱: بعد از خواندن بخش اول مقاله منظورم را از واژه دوباره خواهید فهمید. منظورم مدل فلک‌های تدویر است که بشر برای حدود دو هزار سال به عنوان مدل اصلی گیتی فرض می کرد اما در نهایت اشتباه بودند.