بیگ بنگ: ما با شناختی که از گرانش داریم و با فرمول‌های آن می‌توانیم دلیل افتادن یک سیب از یک درخت و چرخش سیاره‌مان به دور خورشید را توضیح دهیم. ولی به ساختارهای هیولاپیکر کیهانی (بزرگ‌تر از کهکشان) که می‌رسیم نظریه‌های کنونی‌مان با شکست روبرو می‌شوند. برترین پاسخی که برای چراییِ رفتار بیرون از قاعدۀ ساختارهای بزرگ ارایه شده، وجود جوهره‌ای نظری به نام “ماده‌ تاریک” است. ولی ما تاکنون آن را به طور مستقیم ندیده‌ایم، و از آن بدتر، حتی ماده‌ تاریک هم پاسخگوی کامل این رازهای گرانش نیست. اندک کسانی هستند که وجود ماده‌ تاریک را از پایه رد می‌کنند. آنها می‌گویند این شناخت ما از گرانش است که نیاز به دستکاری دارد. چه کسی در این میان درست می‌گوید؟

چیزهایی مانند دیگران نیستند

این تصور که چیزی نامرئی در کار بزرگ‌ترین ساختارهای کیهان دخالت می‌کند ناگهانی و بدون پیش زمینه ارائه نشده است. مانند بسیاری از چیزها در جهان دانش، پنداشت ماده‌ تاریک هم نتیجه‌ی گام‌های رو به جلو بوده. یکی از پرآوازه‌ترین نمونه‌های آغازین که دانشمندان چیزی با رفتار نامتعارف در آن دیدند سیاره اورانوس بود که سال ۱۷۸۱ یافته شد. قانون‌های آیزاک نیوتن پیش‌بینی‌های استواری برای حرکت و رفتار سیاره‌هایی که از خورشید دورند دارد، ولی اورانوس با اینکه از خورشید دورست از این قانون‌ها پیروی نمی‌کرد: تا چند دهه بسیار سریع پیش می‌رفت که با پیش‌بینی‌ها سازگار بود، و سپس بسیار کند می‌شد.

برخی دلیل آن را نقص بنیادی قانون گرانش دانستند؛ برخی دیگر احتمال دادند که شاید جرم دیگری در سامانه‌ی خورشیدی باشد که دارد خرابکاری می‌کند (مانند مدارهای نامعمول شمار بسیاری از اجرام کمربند کوییپر که باعث شده اخترشناسان امروزی احتمالِ وجودِ سیاره‌ نهم را پیش بکشند). در پایان، اخترشناسان آن جرم دیگر را پیدا کردند: نپتون، و قانون‌های نیوتن هم دست نخورده ماندند.

پس از آن دانشمندان متوجه شدند مدار سیاره‌ تیر (عطارد) هم کمی ناهنجار است، ولی این بار دیگر جرم تازه و پنهانی در کار نبود، به جای آن، نیاز به یک نظریه‌ی تازه بود: نظریه‌ نسبیت عام اینشتین که می‌گوید اجرام بزرگی مانند خورشید فضا-زمان را خم می‌کنند. بر پایه‌ی این نظریه، نامعمول بودن مدار تیر به دلیل نزدیکیِ بسیارِ آن به خورشید و خمیدگی فضا-زمان در اثر گرانش آنست.

ولی در طرح بزرگ کیهان، مدار سیاره‌ها ساختارهایی بسیار خُرد و ناچیزند. در دهۀ ۱۹۳۰، دانشمندان از رفتار ناجور کهکشان‌ها بسیار آشفته‌تر شده بودند. ببینید، بیشتر ستارگان در یک کهکشان مارپیچی نزدیک مرکز آن انباشته شده‌اند، پس منطقی است که بیشتر جرم کهکشان را در آنجا در نظر بگیریم، و بنابراین گرانش آنجا می‌بایست بیشتر باشد. درست مانند پلوتو که بسیار کندتر از تیر به گرد خورشید می‌چرخد، ستارگان هم هرچه از مرکز کهکشان دورترند می‌بایست گردش کندتری به گرد مرکز داشته باشند.

ولی این گونه نیست. دورترین ستارگان همان سرعتِ ستارگان نزدیک‌تر را دارند. در دهه‌ی ۱۹۶۰، دو اخترشناس به نام‌های ورا روبین و کنت فورد این را زیر سر جرمی نادیدنی، یا “ماده‌ تاریک” با جرمی حدود ۱۰ برابر جرمِ مادۀ معمولی و دیدارپذیر تصور کردند. ما هنوز این جرم “نامرئی” را ندیده‌ایم (و از آنجایی که نور را نه جذب می‌کند، نه بازمی‌تاباند و نه گسیل می کند) آن را به طور مستقیم مشاهده نکرده‌ایم، اما شواهد بیشماری دیده‌ایم که وجودش را گواهی می‌دهند. جرم آن با خم کردن فضا-زمان کهکشان‌ها را به عدسی‌های بزرگ‌کننده تبدیل می‌کند، و تاثیر آن در نورِ به جا مانده از تولد کیهان (تابش زمینه‌ی ریزموج) هم دیده می‌شود. امروزه به برآورد دانشمندان، ماده‌ی تاریک ۲۷ درصد از جرم درون کبهان را ساخته. سهم ماده‌ی معمولی کمتر از پنج درصد است.

گردنکشان می‌آیند

در سال ۱۹۸۳، یک فیزیکدان اسراییلی به نام مردخای میلگرام یک راه حل جایگزین پیشنهاد کرد: شاید ماده‌ نادیدنی‌ای در کار نباشد. شاید این نیوتن است که اشتباه کرده- یا جاهایی را اشتباه گفته. نظریه‌ وی، دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده‌(MOND)، پیشنهاد می‌کند قانون دوم نیوتن که می‌گوید اجسام به نسبت نیرویی که بر آنها وارد می‌شود شتاب می‌گیرند اندکی تغییر داده شود. میلگرام می‌گوید شاید این قانون‌ها (قانون‌های نیوتن) در شرایطی ویژه تغییر می‌کنند، مانند شرایط ستاره‌ای که بسیار از مرکز کهکشانش دور است. اگر این گفته درست باشد، دیگر برای توضیح سرعت ستارگان کهکشان نیازی به وجود یک مادۀ نادیدنی نخواهیم داشت.

از آن هنگام تاکنون مقاله‌های زیادی نوشته شده که نشان می‌دهند اصلاحِ قانونِ گرانش واقعا می‌تواند رفتاری که در کهکشان‌ها می‌بینیم را توضیح دهد. این از تک کهکشان‌ها؛ ولی اگر چشم‌انداز گسترده‌تری را در نظر بگیریم، چیزها کمی آشفته و ناهنجار می‌شوند. بر پایۀ مدل‌های “موند”، کهکشان‌های برخوردی و کهکشان‌های درون خوشه‌ها رفتارشان آنگونه که باید باشد نیست، و الگوها و طرح‌های درون تابش زمینه‌ی ریزموج کیهان هم جور در نمی‌آیند. خلاصه انگار بخواهی با کاموا سوراخ یک ژاکت را درست کنی ولی بقیه‌ی آن را هم خراب کنی!

با این همه، ماده‌ تاریک هنوز چالش‌هایش را دارد، عمدتا به این دلیل که ما تنها می‌توانیم بخش‌های بسیاری از فضا را شبیه‌سازی کنیم. ایتن سیگل می‌‌نویسد: «اغلب شبیه‌سازی‌های ماده‌ تاریک در بردارندۀ تریلیون‌ها ذره، و در نظر گرفتن اثر فشار فوتون، ستاره‌زایی، ابرنواخترها و دیگر بازخوردهاست. ولی هر تک کهکشان برآورد می‌شود چیزی میان ۱۰ به توان ۶۰ و ۱۰ به توان ۸۰ ذره‌ی مادۀ تاریک داشته باشد- یک تریلیون تنها ۱۰ به توان ۱۲ است.» برای کهکشان‌های کوچک و اندازه-میانگین، بیش از یک میلیون ذره به حساب نمی‌آید، پس ما نمی‌توانیم رفتار آنها را در اثر ماده‌ تاریک را ثابت کنیم.

سیگل می‌نویسد: «چالش بزرگ پیشِ روی گرانشِ اصلاح شده بازتولید نتایج پیروزمند در مقیاس‌های بزرگ کیهان‌شناسی نوین است؛ چالش پیش روی ماده‌ی تاریک بازتولید درستِ جزییاتی برای کوچک‌ترین مقیاس‌هاست.» ولی شواهد می‌گویند ماده‌ تاریک دارد پیروز می‌شود- حتی اگر ناچار شویم عدم قطعیت‌های به نسبت پذیرفتنی‌ای را هم به حساب بیاوریم.