تاريخچه ماده تاريك و مطالعه آن

در طي دهه‌هاي گذشته، جستجو براي يافتن يك ذره‌ از نوع ماده‌ي تاريك از طريق بسياري از راه حل‌ها و رهيافت‌هاي مختلف مورد سنجش و امتحان قرار گرفته است؛ اما تاكنون، بشريت نتوانسته است به يك پاسخ روشن براي اين پرسش اساسي برسد. آيا ماده‌ي تاريك يك نوترينو است؟ يا اينكه ماده‌ي تاريك آگزيون محسوب مي‌شود؟ آيا اين امكان وجود دارد كه ماده‌ي تاريك به طور كلي ساخته و پرداخته‌ي تخيل ما باشد؟ دانشمندان چنين احتمالي را قبول ندارند و با اين حال، آزمايش‌هاي XENON و ADMX همچنان براي اينكه ما را به يك پاسخ قانع‌كننده برسانند، ادامه دارند. جيمز بولاك، استاد فيزيك و نجوم در دانشگاه UC ايروين، در اين باره چنين باور دارد:

 ما بايد درباره‌ي آنچه ماده‌ي تاريك مي‌تواند باشد، بسيار انعطاف‌پذير باشيم. ماده‌ي تاريك مي‌تواند حتي جالب‌تر از آن چيزي باشد كه ما ۲۰ يا ۳۰ سال پيش در مورد ماهيت آن مي‌پنداشتيم.

تجزيه و تفكيك ابهامي كه امروزه مفهوم و ماهيت ماده‌ي تاريك را احاطه كرده است، بسيار دشوار به انديشه متخصصين مي‌رسد. برخي از عناوين نوشته‌هاي جديد حكايت از اين دارند كه ماده‌ي تاريك ممكن است حتي اصلا وجود نداشته باشد و گاهي نيز كار تا آنجا پيش مي‌رود كه از طرفداران سرسخت اين ماده خواسته مي‌شود به مرحله‌ي نخستي كه دانشمندان به ايده‌ي وجود چنين ماده‌اي رسيده‌اند، رجوع كنند.

بنابراين براي درك بهتر جايگاه ماده‌ي تاريك در جهان هستي، شايد بهتر باشد نگاهي به اين موضوع داشته باشيم كه ايده‌هاي ما در مورد اين ماده‌ي اسرارآميز به چه شكلي در ابتدا آغاز شده و چگونه در طول زمان تكامل يافته است، در اينجا زمان آن رسيده است كه سفري را در تاريخ پرماجرا و ثقيل ماده‌ي تاريك شروع كنيم.

در يك مطالعه كه اخيرا توسط جيانفرانكو برتونه و دن هوپر انجام شد، اولين ارجاع به ماده‌ي تاريك تنها در عصر علم مدرن اتفاق افتاده است. در اواخر قرن ۱۹، تصاوير جديد از زمينه‌ي در حال شكوفايي عكاسي نجومي، مناطق تيره‌ي بسياري را در آسمان نشان داد. به انديشه متخصصين نمي‌رسيد كه ستاره‌ها در آن تصاوير به طور مساوي توزيع شده باشند و دانشمندان از اين موضوع در تعجب بودند كه آيا علت چنين توزيع نامتوازني مي‌تواند ناشي از نبودن ستاره‌ها در مناطق تاريك باشد يا اينكه نوعي ماده با خاصيت جذب‌كنندگي وجود دارد كه مانع مشاهده‌ي ستارگان از سوي ما مي‌شود.

لرد كلوين، فيزيكدان اسكاتلندي-ايرلندي، يكي از اولين دانشمنداني بود كه اقدام به برآورد تعداد اجرام تاريك در كهكشان راه شيري كرد. او براي اين كار از تخمين‌هاي به‌دست‌آمده از پراكندگي سرعت ستاره‌ها و اينكه هر يك از آن‌ها با چه سرعتي پيرامون هسته‌ي كهكشان در حال چرخش بودند، استفاده كرد. اطلاعات موجود در مورد سرعت اين ستاره‌ها به او امكان داد تا جرم كهكشان را تخمين بزند. بعد از محاسبه، مشخص شد كه بين جرم موجود و ستاره‌هايي كه ما مي‌توانيم ببينيم، تفاوت وجود دارد. وي در يكي از سخنراني‌هاي خود را در بالتيمور درباره‌ي ديناميك مولكولي و انديشه متخصصينيه‌ي موج نور، نتيجه گرفت كه:

ممكن است بسياري از ستاره‌هاي ما و شايد اكثريت بزرگي از آن‌ها، به صورت جرم تاريك باشند.

آنري پوانكاره ، رياضيدان و فيزيكدان فرانسوي، در سال ۱۹۰۶ در كار خود با عنوان «كهكشان راه شيري و تئوري گازها» به ايده‌هاي لرد كلوين با استفاده از اصطلاح «ماده تاريك» يا (matière obscure) در متن فرانسوي اصلي، پاسخ داد. اگرچه ايده‌هاي لرد كلوين او را تحت تأثير قرار داده بود؛ اما پوانكاره با نتيجه‌گيري وي مخالف بود. پوانكاره نوشت:

از آنجايي كه تعداد به به‌دست‌آمده توسط او (كلوين) با تعدادي كه تلسكوپ به دست مي‌دهد، قابل مقايسه است، پس مي‌توان نتيجه گرفت كه هيچ ماده‌ي تاريكي وجود ندارد؛ يا حداقل اينكه مقدار آن به اندازه‌ي مواد معمولي نيست.

 پوانكاره مقاله‌ي خود را با يك اشاره‌ي نامطمئن به اتمام رساند. فيزيكدان‌هايي كه در آن زمان يك فهم نادرست از منبع تأمين‌كننده‌ي انرژي ستارگان در ذهن داشتند، تخمين زدند كه آن‌ها فقط مي‌توانند از حدود «پنجاه ميليون سال» پيش از اينكه بميرند، وجود داشته باشند. با توجه به كوتاهي نسبي طول عمر خورشيد در مقياس زماني كيهاني، آيا ما نمي‌توانيم انتظار داشته باشيم كه مقدار بيشتري از ماده‌ي تاريك به شكل ستاره‌هاي مرده وجود داشته باشد؟ او اين سؤال را مطرح كرد و آن را بدون پاسخ گذاشت. 

آنري پوانكاره

موردي كه بايد به آن توجه كنيم و درك آن هم ساده به انديشه متخصصين مي‌رسد، اين است كه ماده‌ي تاريك به معناي واقعي كلمه در اين دوره‌ها به مفهوم ماده‌ي تاريك بوده است؛ يعني مناطقي در آسمان كه نور ندارند و از اين رو دانشمندان چنين ارزيابي مي‌كردند كه آن نواحي ممكن است به صورت اجرام تاريك باشند. اما كار به همينجا محدود نشده است و بهتر است در ادامه‌ي گزارش همراه ما باشيد. چندي پس از مراحلي كه به آن‌ها اشاره كرديم، دانشمندان به تغييرات و دگرگوني‌هاي بنياديني در دركشان از ماده‌ي تاريك رسيدند.

فريتز زوئيكي

اولين شواهد عمده‌اي كه بر پايه‌ي آن‌ها گفته شد ماده‌ي تاريك در واقع ممكن است بسيار متداول‌تر از آن چيزي باشد كه قبلا تصور مي‌شود، از كار ستاره‌شناس سوئيسي‌آمريكايي، فريتز زوئيكي به دست آمد. او پس از مطالعه‌ي خوشه‌ي كهكشاني كُما، بر اين امر تأكيد كرد كه خوشه‌ي يادشده فاقد ماده‌ي مرئي كافي براي نگه داشتن خود در حالت پايدار است. در حالي كه ۸۰۰ كهكشان مورد مطالعه‌ي او بايد داراي سرعت پراكندگي به ميزان ۸۰ كيلومتر بر ثانيه مي‌بودند، او متوجه شد كه مقدار واقعي موجود براي كميت فوق، نزديك به ۱۰۰۰ كيلومتر بر ثانيه بود. اين بدان معني است كه روند حركت ستاره‌ها چنان سريع بود كه آن ستاره‌ها بايد از كشش گرانشي متقابلشان مي‌گريختند.

واقعيتي كه آن‌ها به آن اذعان نكرده‌اند، اين است كه جرم اين كهكشان‌ها بيشتر از آن مقداري است كه بتوانيم آن را تنها با استفاده از ماده‌ي مرئي موجود در آن‌ها توجيه كنيم. زوئيكي در مقاله‌اي در سال ۱۹۹۳ چنين نوشت:

اگر اين امر تأييد شود، ما در ادامه به يك نتيجه‌ي شگفت‌انگيز خواهيم رسيد؛ مبني بر اينكه ماده‌ي تاريك در مقاديري بسيار بيشتر از مقدار ماده‌ي مرئي وجود دارد.

جرم اضافي مطرح شده در انديشه متخصصينيه‌ي ماده‌ي تاريك مي‌تواند به ما در تشريح و توضيح اينكه خوشه‌ي كهكشاني به چه شكلي مي‌تواند اجزاي خودش را در حالت پايدار و از طريق جذب گرانشي در كنار هم نگه‌ دارد، كمك كند.

محاسبات بعد نشان دادند كه برآورد زوئيكي از نسبت جرم به نور بيش از حد بزرگ بوده است، اين مقدار در آن محاسبات حدود ۸ تعيين شده بود؛ به اين معنا كه ارزيابي‌هاي صورت گرفته براي مقدار ماده‌ي تاريك بيش از حد بالا بودند. كارهاي انجام شده توسط زوئيكي تا همين امروز هم مورد توجه هستند. كارهاي او در واقع مسير ما براي رسيدن به اين برداشت را فراهم كردند كه بيشتر جرم خوشه‌هاي كهكشاني در واقع به شكل اتم‌ها نيستند.

زوئيكي نيز مانند دانشمندان ديگري كه قبل از وي در اين باره كار كرده بودند، هنوز بر اين باور بود كه ماده‌ي تاريك از موادي مانند ستارگان سرد، ديگر اجسام جامد و گازها تشكيل شده است. تا به امروز، جامعه‌ي علمي به هيچ نوع شواهد قانع‌كننده مبني بر اينكه جرم مفقوده‌ي محاسبات ما مي‌تواند چيز ديگري به جز حدس‌هاي يادشده باشد، دست نيافته است.

هنگامي كه كيهان‌شناسي به عنوان يك علم در دهه‌هاي ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ ميلادي به شكوفايي رسيد، ورا روبين، ستاره‌شناس آمريكايي موردي نامعمول در مورد منحني چرخش كهكشان‌ها كشف كرد. روبين براي اين كار از طيف‌نگار لوله‌اي تصويري استفاده كرده بود. اين طيف‌نگار توسط همكار ستاره‌شناس او، كنت فورد به منظور مشاهده‌ي كهكشان‌هاي مارپيچي توسعه يافته بود. از آنجا كه كهكشان‌هاي مارپيچي داراي ستاره‌هاي بسياري به صورت خوشه‌وار در نزديكي‌ هسته خود هستند، دانشمندان چنين در انديشه متخصصين گرفتند كه عمده‌ي جرم و گرانش نيز در اين كهكشان‌ها در نزديكي مركز متمركز مي‌شود.

با نگاه به منحني چرخش ستاره‌ها در كهكشان (نمودارهايي از سرعت ستاره در مقابل فاصله‌ي آن از مركز كهكشان)، ستاره‌شناسان مي‌توانند توزيع جرم موجود در كهكشان را تعيين كنند. به طور معمول، ستاره‌هايي كه دورتر از مركز قرار دارند، بايد داراي سرعت حركت آهسته‌تر از ستارگاني باشند كه در نزديكي مركز هستند. براي درك بهتر مي‌توانيم به سياره‌ي نپتون اشاره كنيم كه حركت آهسته‌تر به دور خورشيد در قياس با عطارد دارد. در اغلب منحني‌هاي چرخش، خط نمودار در ابتدا با مقدار زياد شروع مي‌شود و سپس با حركت به سمت راست روي نمودار مقدار آن كاهش مي‌يابد كه اين در واقع هم‌ارز با دورتر شدن از مركز كهكشان است. چنين روندي با اين نكته كه اغلب جرم موجود در مركز سيستم متمركز مي‌شوند، سازگار است.

ورا روبين

اما روبين در كهكشان‌هاي مارپيچي كه مورد مطالعه قرار داده بود، به مورد متفاوتي پي برد. به جاي اينكه اين كهكشان‌ها داراي شيب نزولي باشند، چنين به انديشه متخصصين مي‌رسيد كه منحني‌هاي چرخش آن‌ها به نوعي در حال هم‌تراز شدن هستند. چنين حالتي بدان معنا بود كه ستاره‌ها در مناطق دورتر و بيروني‌تر اين كهكشان‌هاي مارپيچي، با همان سرعتي در حال حركت بودند كه ستارگان واقع در نزديكي مركز كهكشان دارند. جرم توده‌ي مشاهده شده از كهكشان داراي گرانش كافي براي نگاه داشتن اين ستاره‌ها در نزديكي مركز كهكشان نبود. به عنوان يك نتيجه، روبين به اين برداشت رسيد كه چنين كهكشان‌هايي داراي مقدار ماده‌ي تاريكي به ميزان ده برابر بيشتر از ماده‌ي مرئي هستند و همين ماده باعث مي‌شود اجزاي كهكشان به صورت يكپارچه كنار هم بمانند. در طول اين دوره از دهه‌ي ۱۹۷۰ ميلادي، دانشمندان ديگري نيز با وجود برخي شك و ترديدهاي اوليه، يافته‌‌هاي فوق را مورد تأييد قرار دادند. به باور آن‌ها، يك هاله‌ي بزرگ از ماده‌ي تاريك هر يك از كهكشان‌ها را احاطه كرده بود.

با استفاده از دستاوردهاي آن دوران، چنين به انديشه متخصصين مي‌رسيد كه محققان در نهايت به شواهدي دست يافته‌اند كه بر مبناي آن‌ها مي‌توان با قطعيت گفت: جهان ما تنها از ماده‌ي مرئي تشكيل نشده است. اين كشف باعث شديك تغيير تدريجي در چگونگي برداشت و تصور دانشمندان از ماده‌ي تاريك به وجود بيايد. ديگر تنها ستاره‌هاي سرد و اجسام جامد را به عنوان بخش اصلي از ساختار كيهان در انديشه متخصصين نمي‌گرفتند؛ بلكه ماده‌ي تاريك به عنوان ماده‌اي پنداشته مي‌شد كه اكثريت جهان قابل مشاهده شده‌ براي ما از آن ساخته شده است. با اين تغيير نگرش بود كه يك بازيگر جديد در صحنه‌ي علم و فيزيك نجومي پا به عرصه نهاد: فيزيك ذرات.

اجرام هاله‌اي چگال و فشرده يا MACHO‌ها (مانند كوتوله‌ها‌ي قهوه‌اي و سياه‌چاله‌ها) زماني براي توضيح ماده‌ي تاريك مورد استناد قرار مي‌گرفتند؛ اما آن‌ها به تدريج پس از صورت گرفتن چند مشاهده‌ي مهم از درجه‌ي اعتبار ساقط شدند. داده‌هاي به دست آمده از پروژه‌ي EROS در اواخر دهه‌ي ۱۹۹۰ ميلادي پيشنهاد مي‌كرد كه شمار MACHOها به اندازه‌ي كافي براي احتساب تمامي جرم مورد نياز در محاسبات، زياد نبودند. علاوه بر اين، مشاهدات ديگر نشان دادند كه اثر گرانشي ماده‌ي تاريك در مكان‌هايي رخ داده بود كه اين اجرام هاله‌اي چگال و فشرده در آنجا وجود نداشتند. گفتني است كه MACHO ها در لبه‌هاي بيروني‌تر كهكشان‌ها واقع مي‌شوند.

با كنار رفتن اجرام معمولي از ميان گزينه‌هاي پيش روي دانشمندان، يك مورد نامعمول در حال گسترش و معطوف ساختن توجهات به سوي خود بود. در واقع يك دوگانه‌ي مهم در حال شكل‌گيري بود: فيزيك‌دانان فعال در حوزه‌ي ذرات و اخترفيزيك‌دانان. قبل از ماده‌ي تاريك، اين دو گروه واقعا زمينه‌ي كمي براي انجام همكاري با يكديگر داشتند. در واقع، زماني كه آزمايشگاه فرمي (Fermilab)، گروه فيزيك نجومي تئوري خود را در سال ۱۹۸۳ ايجاد كرد، بسياري از دانشمندان به اين سوال فكر مي‌كرند كه پژوهش‌هاي مرتبط با فيزيك ذرات به چه طريقي مي‌تواند به فيزيك نجومي كمك كند؟ اما در نيمه‌ي دوم دهه‌ي ۱۹۸۰ ميلادي، اين ايده كه ماده‌ي تاريك از ذرات زيراتمي كشف‌نشده تا به امروز ساخته شده‌ است، قوت گرفت. همين امر از آن زمان تا به امروز باعث همكاري‌هاي هر چه بيشتر دانشمندان فعال در زمينه‌ي فيزيك ذرات با فيزيك نجومي شده است.

اين همكار‌ي‌ها باعث شكل گرفتن چندين ايده شد: يك ايده اين بود كه شايد ماده‌ي تاريك از انديشه متخصصين الكتريكي خنثي بوده و از نوترينوهايي با برهم‌كنش ضعيف تشكيل شده است؛ يا شايد هم از اكسيون‌هاي بسيار سبكي كه به صورت يك فرضيه‌ مطرح هستند، ساخته شده باشد. ايده‌ي ديگري كه به ذهن مي‌رسيد، اين بود كه شايد اين ماده از بعضي از ذرات ابرمتقارن سبكي ساخته شده باشد كه دانشمندان هنوز آن‌ها را كشف نكرده‌اند. در كوتاه مدت، دانشمندان به جاي جستجو به دنبال MACHOها، شروع به جستجو به دنبال WIMP‌ها كردند. ويمپ‌ها به ذرات سنگين با برهم‌كنش ضعيف اطلاق مي‌شود.

چه با گرايش به MACHO و چه با گرايش به WIMP، به هر سوي دانشمندان روي اين موضوع مردد ماندند كه آيا اصلا تلاش و جستجو براي ماده‌ي تاريك معقول است يا خير؟ برخي از آن‌ها پينشهاد كردند كه شايد تئوري گرانشي كه ما به آن تكيه مي‌كنيم، نادرست بوده باشد. يك انديشه متخصصينيه‌ي تغيير يافته از گرانش مي‌تواند داده‌هاي غير معمول روبين را بدون نياز به وجود ذرات يا ماده‌ي جديدي توضيح دهد. يكي از گزينه‌هاي جايگزين مهمي كه براي ماده‌ي تاريك وجود دارد پديده‌ي MOND است. اين اصطلاح در واقع كوتاه شده‌ي عبارت ديناميك نيوتني اصلاح‌شده است. با اين حال دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند نسخه‌اي از MOND را كشف كنند كه به زيبايي و سادگي بتواند اثرات گرانشي مشاهده‌شده را توضيح دهد.

در پايان دهه‌ي ۱۹۸۰، شمار بيشتر و بيشتري از دانشمندان اين ايده را پذيرفتند كه بخش عمده‌ي جرم موجود در جهان شامل ماده‌ي تاريك سرد (در حال حركت به طور آهسته) است و آزمايش‌هاي انجام شده در چند دهه‌ي آينده هم از اين انديشه متخصصينات، همراهي كردند.

يكي از بزرگ‌ترين آزمايش‌هايي كه بعدتر در اين باره انجام شد، زماني بود كه جان ماتر (John Mather) و جرج اسموت (George Smoot) يك دوره‌ي جديد از كيهان‌شناسي را در دهه‌ي ۱۹۹۰ با كار خود را روي كاوشگر تابش‌هاي پس‌زمينه‌ي كيهاني آغاز كردند. تابش‌هاي زمينه‌ي كيهاني (CMB) در اصل به تابش‌هاي باقي مانده پس از انفجار بزرگ اطلاق مي‌شود و مي‌توانند شواهدي را در مورد وضعيت جهان در مراحل اوليه‌ي پيدايش خود ارائه دهند. داده‌هاي قبلي نشان داده بود كه تابش زمينه‌ي كيهاني حتي يكنواختي كيهان را در مقياس بزرگ بازتاب مي‌دهند. اما در مقياس‌هاي كمي كوچكتر، جهان به صورت نايكنواخت بوده است؛ با حفره‌ي بزرگ و توده‌اي بزرگ از كهكشان. انبساط كيهان يكي از دلايل ممكن براي اين پديده بود. بر اين اساس اگر جهان در مراحل اوليه‌ي پيدايش خود داراي نوسانات كوانتومي كوچك بوده باشد، در آن صورت اين نوسانات مي‌توانسته‌اند در هنگام انبساط كيهان در لحظات پس از انفجار بزرگ به صورت نمايي، به مقدار زيادي افزايش يافته باشند و در نهايت نيز به درجه‌اي از نايكنواختي رسيده باشند كه امروزه مشاهده مي‌كنيم.

براي پيدا كردن شواهدي از اين روند، ماتر، اسموت و تيم آن‌ها تلاش خود را براي پيدا كردن نوسانات كوچك در تابش زمينه كيهاني شروع كردند. در سال ۱۹۹۲، تيم COBE اعلام كرد كه آن‌ها توانسته‌اند نوسانات دمايي كوچكي را فقط در يك بخش از صدهزار بخش پيدا كنند كه در واقع همان نوسانات باقي‌مانده كيهان در لحظات اوليه‌ي پيدايش خود و پيش از آغاز انبساط بوده‌اند. به اين ترتيب دوره‌ي جديدي از كيهان‌شناسي دقيق متولد شد.

تريسي اسلاتير، استاديار بخش فيزيك در دانشگاه MIT، به طور گسترده داده‌هاي اخترفيزيكي به دست آمده از تابش زمينه‌ي كيهاني را مطالعه كرده است. او در اين باره باور دارد كه ظهور كيهان‌شناسي دقيق در دهه‌ي ۱۹۹۰ ميلادي به پا گرفتن ايده‌هايي كمك كرد كه بر پايه‌ي آن‌ها گفته مي‌شد كه ماده‌ي تاريك به جاي پديده‌هاي احتمالي همچون MOND، در توجيه و تحليل داده‌هاي ناشناخته و عجيبي نقش دارند كه بعضي دانشمندان به آن‌ها پي برده‌اند.

دليل برداشت فوق هم اين است كه به منظور سازگاري انديشه متخصصينيه‌ي انبساط كيهان با داده‌هاي جديد به دست آمده در مورد تابش زمينه‌ي كيهاني، جهان هستي بايد مقدار جرمي بسيار بيشتر از آن جرمي داشته باشد كه به وسيله‌ي مواد مرئي موجود شناخته شده فراهم مي‌شود. بدون اين جرم، ساختارهاي عظيم ديده شده در جهانِ در حال گسترش امروز، زمان كافي را براي پيدايش و توسعه به اين شكل به دست نمي‌آوردند؛ اما يك مطالعه‌ي جديد در ادامه مي‌تواند شواهد مستدلي را درباره‌ي ماده‌ي تاريك و چگونگي برهم‌كنش آن با ماده‌ي مرئي در اختيار بگذارد.

 در سال ۲۰۰۶، دانشمندان دانشگاه هاروارد به موردي ديدني و جالب از طريق تلسكوپ چاندرا پي بردند:  دو خوشه‌ي كهكشاني در حال تصادم با يكديگر بودند. برخورد اين دو خوشه، توده‌هايي از ماده‌ي مرئي و نامرئي را بر جاي گذاشت كه نياز به تجزيه و تحليل توسط دانشمندان داشتند. اينجا به چگونگي كاركرد پديده‌ي فوق مي‌پردازيم. انيميشن كوتاه زير مي‌تواند به درك بهتر موضوع كمك كند:

پس از وقوع برخورد، كهكشان‌ها در لبه‌هاي دورتر واقع شدند كه در اينجا با رنگ هاله‌ي آبي ديده مي‌شوند. ابرهاي گازي كه سرعتشان در اثر برخورد كندتر شده بود نيز در بخش‌هاي نزديك‌تر به مركز قرار گرفته‌اند و پرتوهاي ايكس را متساطع مي‌كنند و اين محل در واقع جايي است كه بيشتر ماده‌ي مرئي نيز در آن به اتمام مي‌رسد. پرسش اين است كه ماده‌ي تاريك پس از برخورد كجا رفته است؟ دانشمندان اين فرضيه را مطرح كردند كه ماده‌ي تاريك نمي‌تواند با ابرهاي گازي برهم‌كنش داشته باشد و به جاي آن بايد از ميان كانون برخورد عبور كرده باشد و در نزديكي توده‌هاي آبي خوشه‌هاي كهكشاني واقع در لبه‌ي دورتر قرار داشته باشد.

اين دقيقا همان چيزي است كه محققان مشاهده كرده بودند. با استفاده از همگرايي گرانشي، دانشمندان توانستند تعيين كنند كه بيشتر ماده‌ي حاصل از تصادم در نزديكي خوشه‌هاي كهكشاني واقع شده بود و نه در هاله‌ي قرمز ابرهاي گازي كه ماده‌ي مرئي را در محل خود داشتند. بنابراين برخورد كهكشاني باعث از هم جدا شدن ماده‌ي تاريك و ماده‌ي قابل مشاهده شده بود و با انجام اين كار، دانشمندان اين امكان را به دست آورده بودند كه شواهدي مشابه شواهد قبلي را مجددا به دست آورد.

اين نتايج براي بسياري از دانشمندان، هرگونه ترديدي را در مورد وجود ماده‌ي تاريك از ميان برد. جستجو براي ماده‌ي تاريك آغاز شده بود و امروزه دانشمندان در حال انجام آزمايش‌هاي ابتكاري متعدد براي پيدا كردن برخي سرنخ‌ها پيرامون چگونگي ساختار اين ماده‌ي مرموز هستند.

 نوعي از اين آزمايش‌ها با هدف شناسايي ذرات ماده‌ي تاريك و برخورد آن‌ها با ذرات آشناتر دو مورد از بهترين و شناخته‌شده‌ترين ابتكاراتي كه از اين نوع صورت گرفته‌اند، به نام‌هاي LUX و زنون (XENON) شناخته مي‌شوند. در هر دو آزمايش، پژوهشگران آشكارسازهاي بزرگ را با زنون مايع پر مي‌كنند. آن‌ها سپس به دنبال سيگنال‌هاي كوچكي جستجو مي‌كنند كه در نتيجه‌ي تصادم WIMPها با هسته‌ي اتم زنون حاصل مي‌شوند؛ برخوردهايي كه باعث انتقال انرژي به اتم و توليد فوتون‌هايي مي‌شوند كه تجهيزات دانشمندان توانايي تشخيص آن‌ها را دارند. 

تاكنون، دانشمندان موفق به پيدا كردن فوتون‌هايي كه در انديشه متخصصين دارند، نشده‌اند؛ هر چند كه اين آزمايش‌ها به اعمال برخي محدوديت‌ها براي خواص بالقوه ماده‌ي تاريك كمك كرده‌اند.

 النا آپريل (Elena Aprile)، استاد فيزيك در دانشگاه كلمبيا و زني كه آزمايش زنون در رابطه با ماده‌ي تاريك را هدايت مي‌كند در گفتگو با پايگاه آرس گفته است كه پيدا كردن ماده‌ي تاريك رفته رفته سخت‌تر مي‌شود. با اينكه آزمايش زنون چندين بار تكرار شده است و تيم پژوهشي هم در حال تدارك يك آزمايش ديگر با نام XENONnT تا سال ۲۰۱۹ هستند؛ اما هنوز به نشانه‌اي از ذره‌ي WIMP نرسيده‌اند. آپريل در اين باره مي‌گويد:

واضح است كه بسياري از ما اين احساس را داريم كه داستان جستجو به دنبال ماده‌ي تاريك در حال رسيدن به يك نتيجه‌گيري است و از طرفي در همان زمان، ما در حال جابه‌جا كردن محدوديت‌هايمان از چگونگي انجام آزمايش خود هستيم. افراد دلبستگي زيادي به ويمپ دارند؟ اما آيا وقت آن است كه ايده‌ي آن را كنار بگذاريم؟ اين حالتي بسيار خسته‌كننده است.

 با اين حال، آپريل مصمم به موفقيت در اين كار است. او از گروه خود مي‌خواهد كه تلاش كنند تا اولين شواهد مستقيم از ذره‌ي ماده‌ي تاريك احتمالي را به دست آورند. وي اظهار مي‌كند كه به سادگي دست از تلاش نخواهد كشيد.

 جستجوهاي ديگر بر اين احتمال تمركز مي‌كنند كه ذرات ماده‌ي تاريك به همان شيوه‌اي با هم برخورد مي‌كنند و منهدم مي‌شوند كه ما در مواد مرئي مي‌بينيم. اگر اين فرض درست باشد، پس ما ممكن است قادر به ديدن شواهدي در مناطق متراكم‌تر از ماده‌ي تاريك باشيم؛ مناطقي كه در آن برخوردها ممكن است مقادير فراتري از ذرات پرانرژي مانند پوزيترون را توليد كنند. گفتني است كه پوزيترون‌ها در واقع شريك‌هاي ضدماده‌ي الكترون هستند.

دانشمندان اين مقدار فراتر را از داده‌هاي به دست آمده از ماهواره‌ي روسي اروپايي پاملا در سال ۲۰۰۸ و براي بار دوم نيز از داده‌هاي حاصله از طيف‌سنج مغناطيسي آلفا در ايستگاه فضايي بين‌المللي در سال ۲۰۱۳ به دست آوردند. با اين حال آن‌ها نتوانستند به طور دقيق مشخص كنند كه واقعا اين مقدار فراتر آيا واقعا در اثر برخورد ذرات ماده‌ي تاريك حاصل شده است يا اينكه براي مثال مربوط به برخي منابع كمتر شگفت‌انگيز همچون ستاره‌هاي پلوسار (نوعي ستاره‌ي نوتروني) بوده است. آن‌ها همچنين دريافتند كه نشانه‌ي انرژي ذرات مشاهده شده در داده‌هاي سال ۲۰۱۳، با انتظارات آن‌ها از اينكه ماده تاريك به چه شكلي بايد رفتار كند، سازگار نبودند. مناسب نيست. اگرچه اين رويداد احتمال اينكه مقادير اضافي ياد شده به عنوان شواهدي غيرمستقيم از ماده‌ي تاريك باشند را رد نمي‌كند؛ اما بايد بپذيريم كه احتمال آن را كاهش مي‌دهد.

نوع ديگري از آزمايش‌ها هم در اين زمينه وجود دارند كه در حال جستجو به دنبال ذرات اكسيون هستند. بايد اشاره كنيم كه اكسيون‌ها ذراتي هستند كه به طور تئوري و براي اولين بار به منظور حل اشكالي متفاوت در دنياي فيزيك پيشنهاد شد؛ مسئله‌اي كه مربوط به نيروي هسته‌اي قوي بود. اكسيون‌ها از انديشه متخصصين الكتريكي خنثي هستند و تعامل ضعيفي با نور و همچين انواع ديگر ماده دارند و از طرفي هم داراي خواصي هستند كه آن‌ها را به عنوان يك گزينه‌ي قوي براي ماده‌ي تاريك مطرح مي‌سازد.

 خبر خوب اين است كه اكسيون‌ها تنها با ماده‌ي تاريك سازگار هستند؛ البته اگر جرم آن‌ها در محدوده‌ي بسيار كمي باشد. كم بودن جرم باعث مي‌شود تا اين ايده به آساني قابل آزمايش باشد. چندين آزمايش هم در حال پيگيري هستند تا امكان‌هاي موجود پيرامون ايده‌ي اكسيون به عنوان ماده‌ي تاريك مورد جستجو را مورد مطالعه و كاهش قرار دهند.

در وهله‌ي نخست، بايد به تلسكوپ خورشيدي سرن اشاره كنيم. اكسيون‌ها مي‌توانند به نور (فوتون‌ها) تبديل شوند و نور را مي‌توان به اكسيون تبديل كرد. بنابراين همان‌طور كه نور ذرات موجود در خورشيد را پراكنده مي‌كند، به همين ترتيب نيز ممكن است به اكسيون تبديل شده باشد؛ اكسيون‌هايي كه پس از آن از خورشيد گريخته باشند. هدف تلسكوپ خورشيدي سرن اكسيون، پيدا كردن چنين اكسيون‌هايي است و اين كار با استفاده از يك آهنرباي دو قطبي متعلق به برخورددهنده‌ي بزرگ هادروني در حال حاضر، تلسكوپ ياد شده فاقد حساسيت مورد نياز براي رد كردن اكسيون به عنوان ماده‌ي تاريك است؛ اگر چه مي‌تواند برخي خواص آن‌ها را محدود كند.

 همچنين آزمايش «اكسيون ماده‌ي تاريك» يا (ADMX) در دانشگاه واشنگتن در جريان است. اگر اين ذرات واقعا وجود داشته باشند، در آن صورت، اكسيون‌هاي موجود در هاله‌ي متشكل از ماده‌ي تاريك كهكشان راه شيري بايد در تمام زمان‌ها از ميان كره‌ي زمين عبور كنند. هدف آزمايش ADMX در واقع "گرفتن" چنين ذراتي با استفاده از تحريك آن‌ها براي واپاشي به فوتون‌هايي است كه در ادامه مي‌توانند توسط دستگاهي موسوم به حفره‌ي راديو فركانسي تشخيص داده شوند. يكي از اشكال عمده‌اي كه محققان در اينجا با آن مواجه مي‌شوند، عبارت است از كاهش نويز پس زمينه به اندازه‌ي كافي براي پيدا كردن سيگنال فوتون ضعيف.

با بسياري از سرخوردگي‌هايي كه در مسير جستجو در پي ماده‌ي تاريك براي دانشمندان پيش آمده است، برخي از آن‌ها يك بار ديگر در پي انديشه متخصصينيه‌هاي جايگزين بر آمده‌اند. جيمز بولاك (James Bullock) بر اين باور است كه مدل MOND يك مدعي قوي براي اين كار است. او در اين باره گفته است:

قابل توجه است كه اين مدل در توضيح سرعت چرخش انواع خاصي از كهكشان‌ها تا چه حد خوب كار مي‌كند. اين چيزي است كه من شخصا توجه زيادي به آن نشان مي‌دهم. اين چيزي است كه شما نمي‌توانيد آن را بيش از اين مورد بي‌توجهي قرار دهيد.

با اين حال، او اشاره كرد كه تئوري MOND براي اينكه پذيرفته شود. نياز به بهتر شدن در توضيح مشاهدات صورت گرفته در مقياس بزرگ دارد؛ مشاهداتي مانند تابش زمينه‌ي كيهاني.

 آيا احتمالات ديگري هم وجود دارند؟ ماده‌ي تاريك در واقع مي‌تواند به صورت يك سري از سياه چاله‌هاي اوليه باشد؛ يا اينكه نشان‌دهنده‌ي نقايص توپولوژيكي در ميدان كوانتومي باشد. همچنين ايده‌هاي جديدي در زمينه‌ي گرانش هم وجود دارند كه مي‌تواند بر چيزهايي كه ما مي‌پنداشتيم درباره‌ي ماده‌ي تاريك پي برده‌ايم، خط بطلان بكشد. بولاك در اين باره توضيح مي‌دهد:

من فكر مي‌كنم كه روند فعلي به همان نقطه مي‌رود. ما واقعا نياز داريم تا ذهنمان را باز كنيم و نياز به پذيرفتن اين واقعيت داريم كه «اينها همه‌ي آن چيزي است كه مي‌دانيم و اينها همه‌ي داده‌هايي است كه ما در اختيار داريم. هيچ چيزي درباره‌ي داده‌هايي كه بر پايه‌ي آن بتوان گفت ماده‌ي تاريك بايد به عنوان يك ذره‌ي منفرد با نام WIMP باشد وجود ندارد. پرسش اين است كه آيا چيزي فراتر از آن وجود دارد؟ آيا پديده‌اي ژرف‌تر وجود دارد؟

در حال حاضر، پاسخ به تمامي اين پرسش‌ها اين است كه ما جوابي نداريم! شايد بهترين تصور از ميزان دشواري اين كار از كار گروه تحقيقاتي آزمايش LUX مشخص شود. آن‌ها در اعماق زمين، تك‌شاخ‌هايي را پيرامون سايت تحقيقاتي براي يافتن ماده‌ي تاريك قرار داده‌اند. لازم به توضيح است كه بر پايه‌ي يك افسانه‌ي قديمي، گذاشتن تك‌شاخ باعث جذب شكار‌هاي دست‌نيافتني و شكار راحت آن‌ها مي‌شود!

 اما با همه‌ي اين تفاسير، چند سال آينده در تاريخ ماده‌ي تاريك مي‌تواند به عنوان بازه‌اي مهم و سرنوشت‌ساز تلقي شود. در واقع با وجود آزمايش‌هاي فراواني كه در حال اجرا هستند و همچنين با داشتن داده‌هاي جديدي كه بايد به دنبالشان باشيم، به انديشه متخصصين مي‌رسد كه هيچ‌گاه پيش از اين تا به اين حد به يافتن ماده‌ي تاريك (يا شايد هم توقف كلي اين ماموريت براي هميشه) نزديك نشده بوده‌ايم.