بیگ بنگ: بیش از نزدیک به یک قرن است که دانشمندان در جستجوی «ماده تاریک» هستند؛ ماده‌ای نامرئی و ناشناخته که انتظار می رود قسمت اعظمی از کیهان را تشکیل داده باشد. دلیل تداوم جستجوی دانشمندان این است که ماده تاریک باید این واقعیت را توضیح دهد که کهکشان‌ها ظاهرا از قوانین پایه فیزیک تبعیت نمی کنند. با این حال، جستجوی ماده تاریک هنوز ناموفق بوده است.

به گزارش بیگ بنگ، یک مقاله جدیدکه به تازگی در مجله Cosmology and Astroparticle Physics منتشر شده، نشان می دهد که با تغییر جزئی در قوانین گرانش در مقیاس‌های عظیم کهکشانی، شاید دیگر به “ماده تاریک” نیاز نباشد. اخترشناس سوئیسی «فریتز زوئیکی» در دهه 1930 میلادی دریافت که سرعت در خوشه‌های کهکشانی به قدری بالاست که مشاهده مقدار ماده موجود در جهان را با دشواری روبرو می سازد. گروه‌های مختلف اخترشناسان به توصیف پدیده مشابهی پرداختند. از جمله این اخترشناسان میتوان به «وِرا روبیناند کنت فورد» اشاره کرد. این محققان به مطالعه حرکت ستارگان در گوشه‌های دوردست کهکشان آندرومدا پرداختند. انتظار می رفت سرعت ستارگان به دور از مرکزشان با کاهش مواجه شود زیرا نیروی گرانشی کمتری تجربه می کنند. زیرا بر اساس قانون دوم نیوتن (حرکت)، کِشش گرانشی در مادۀ چرخان می تواند با محصول جرم و شتاب آن همسان در نظر گرفته شود.

اما اندازه‌گیری‌ها نشان داد که سرعت در فواصل دور کاهش پیدا نمی کند. لذا دانشمندان استنباط کردند که باید نوعی ماده نامرئی وجود داشته باشد تا کشش گرانشی قدرتمندتری به وجود آورده و حرکت سریع ستارگان را با سهولت همراه کند. در دهه‌های گذشته، کاوشگرهای متعددی در مقیاس‌های خیلی بزرگ با چنین مشکلی روبرو شده‌اند.

فراتر از ماده تاریک

ماهیت ماده تاریک همچنان به عنوان چالشی بزرگ در فیزیک مدرن است. سوال اصلی این است که آیا ماده تاریک یک منبع جرم مفقود است (مثل نوع جدیدی از ماده) یا قانون گرانش در مقیاس‌های طول عظیم، متفاوت است؟ اگرچه گزینه اول خیلی وسوسه برانگیز به نظر می رسد، اما هنوز موفق به کشف ماده تاریک نشده‌ایم. همچنین، اگرچه قوانین گرانش در منظومه شمسی به خوبی مورد آزمایش قرار گرفته‌اند، اما باید جانب احتیاط را در تعمیم آنها به مقیاس‌هایی که دستکم یک میلیارد برابر بزرگتر هستند، رعایت کرد.

یکی از اقداماتی که برای رهایی از نیاز به ماده تاریک در نظر گرفته شده، دینامیک نیوتنی اصلاح شده(MOND) نام دارد. بر این اساس، قانون گرانش نیوتن زمانی غیرعادی می شود که کشش گرانشی خیلی ضعیف باشد. این مورد در نواحی بیرونی کهکشان راه شیری هم صدق می کند. اگرچه این نظریه از جهات مختلف موفق عمل کرده است، اما به مانند مدل استاندارد کیهان شناسی عملکرد موفقی نداشته و خیلی از آزمون‌ها را هنوز پشت سر نگذاشته است. مشکل اصلی این است که دینامیک نیوتنی اصلاح شده، نمی تواند مشکل جرم مفقود در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را توضیح بدهد.

یکی دیگر از استنباط‌های قوی “علیه دینامیک نیوتنی اصلاح شده”، برپایه مشاهدۀ خوشه‌های کهکشانی میباشد که به یکدیگر برخورد می کنند؛ در این شرایط، ستارگانِ هر کهکشان از درون همدیگر عبور می کنند، اما ابرهای گازی کنار یکدیگر باقی می مانند. یکی از نمونه‌های بارز، «خوشه گلوله یا Bullet Cluster» نام دارد که از دو خوشه‌یِ در حال برخورد تشکیل یافته است. مشاهدات نشان می دهد که “ماده تاریک” در این رویدادها از ستارگان تبعیت می کند، زیرا در مقایسه با ابرهای گازی، جرم کلی کمتری دارند. “دینامیک نیوتنی اصلاح شده”، نمی تواند دلیل این را توضیح دهد.

حباب‌های فضایی

محققان در این تحقیق سعی کردند به شیوه‌ای متفاوت در قوانین گرانش تغییراتی ایجاد کنند. بر اساس روشِ پیشنهادی، پدیده‌ای موسوم به «بررسی Vainshtein» در کار است. این پدیده می گوید که هر جرم فشرده در فضا که از چگالی کافی برخوردار است، یک ناحیه نامرئی در پیرامون خود ایجاد می کند که چگونگی رفتار قوانین فیزیک را در فواصل دورتر تعیین می کند. این ناحیه، مفهومی نظری است که به ما کمک می کند تفاوت میان مقیاس‌های بزرگ و کوچک را درک کنیم؛ لذا نباید آن را بعنوان یک جسم فیزیکی حقیقی در نظر گرفت.

بر اساس این نظریه، درون این حباب، قوانین گرانش نیوتنی که در منظومه شمسی می بینیم، برای اجرامی صدق می کند که با جرم عظیمی در مرکز برهمکنش می کند. اما خارج از این حباب، کشش گرانشی توسط جرم مرکزی میتواند به طرز قابل توجه و معناداری رو به افزایش بگذارد؛ اگرچه جرم بیشتری در کار نباشد. اندازۀ حباب متناسب با جرمِ پیکره مرکزی است. برای مثال، اگر این گوی در یک کهکشان دارای شعاع چند هزار سال نوری باشد، گوی خورشید ما می تواند شعاعی برابر با 50000 واحد نجومی داشته باشد (چنین واحدی برابر است با فاصله میان خورشید و زمین.) با این حال، لبه منظومه‌شمسی تنها 50 واحد نجومی دورتر است.

به عبارت دیگر، هیچ جرمی به دور از خورشید وجود ندارد که بتوانیم آزمایش کنیم آیا خورشید کشش گرانشی متفاوتی با آنچه بر زمین اعمال می کند دارد یا خیر. ما تنها با مشاهدۀ منظومه‌های خیلی دور می توانیم چنین کاری انجام دهیم. نکته جالب اینجاست که اندازۀ حباب نیوتنی همراه با این جرم بسته به شیوه‌ای خاص رو به افزایش می گذارد. یعنی قانون گرانش در مقیاس‌های طولی متفاوت در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی تغییر پیدا می کند و می تواند ماده تاریک را توضیح بدهد. “دینامیک نیوتنی اصلاح شده” چنین امکانی را بدست نمی دهد.

همچنین ابرهای گازی بر جای مانده از برخورد به قدر کافی فشرده نیستند تا در اطراف خود گوی ایجاد کنند؛ پس ماده تاریک تنها در اطراف ستاره‌های فشرده‌تر به میزان چشمگیری وجود دارد. “دینامیک نیوتنی اصلاح شده” میان ستارگان و ابرهای گازی تفکیک قائل نمی شود. در کمال تعجب، نظریه جدید این فرصت را به محققان می دهد تا سرعت ستارگان در کهکشان‌ها را توضیح دهند؛ حتی خیلی بهتر از نظریه نسبیت عام اینشتین که بر وجود ماده تاریک مهر تایید می زند. پس بر خلاف آنچه تصور می شد، باید میزان ماده تاریک رازآلود در فضا کمتر باشد؛ شاید اصلا وجود هم نداشته باشد. محققان در نظر دارند این پدیدۀ جالب را در آینده بیشتر مورد بررسی قرار دند.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: theconversation.com