🔘 داستان کشف ماده‌ی تاریک

"قسمت سوم"

⚫️ ماده تاریک از ماده اسرار‌آمیزی ساخته شده که هیچ نوری انتشار نمی‌دهد یا جذب نمی‌کند یا بازتاب نمی‌کند و به خاطر جاذبه‌اش فقط میدانیم که وجود دارد.

➖ جاذبه‌ای که تمام کهکشان‌ها رو به سمت خودش میکشد و باعث سرعت ستاره‌های درونشان می‌شود.

✅ ماده تاریک و ماهیتش هنوز به طور کامل برای دانشمندان ظاهر نشده❗️

⚫️ انرژی تاریک:

➖ در کیهان‌شناسی، انرژی تاریک نوعی انرژی فرضی و شگفت‌انگیز است که سرعت انبساط جهان را می‌افزاید.

➖ انرژی تاریک رایج‌ترین راه برای توضیح‌دادن مشاهدات اخیر است که می‌گویند جهان با آهنگ رو به افزایشی (با شتاب) منبسط می‌شود.

🔹 در مدل استاندارد کیهان‌شناسی حدود ۷۳٪ از جرم-انرژی جهان از انرژی تاریک ساخته شده است.

➖ توضیح پیچیده ریاضیاتی انرژی تاریک نظریه #میدان_اسکالر می باشد.

⚫️ مادۀ تاریک:

➖ مادۀ تاریک ، در اخترشناسی و کیهان‌شناسی، مادّه‌ای فرضی است که چون از خود نور (امواج الکترومغناطیسی) گسیل یا بازتاب نمی‌کند، نمی‌توان آن را مستقیما” دید، اما از اثرات گرانشی موجود بر روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، می‌توان به وجود آن پی برد.

🔭 بر اساس مشاهدات فعلی، که بر روی ساختارهایی بزرگتر از کهکشانها صورت گرفته‌است، و همچنین مطالب مربوط به انفجار بزرگ، ماده تاریک و انرژی تاریک تشکیل دهنده بخش زیادی از جرم موجود در جهان قابل مشاهده است.

⚫️ اجزای ماده تاریک جرم بسیار بیشتری از قسمت دیده شدنی کائنات دارند.

➖ فقط حدود ۴٪ از مجموع کل #چگالی انرژی در کیهان را می‌توان مستقیم مشاهده کرد (با توجه به اثرهای گرانشی آن)، که این مقدار شامل #باریونها و تابش‌های #الکترومغناطیسی نیز می‌شود.

➖ همچنین تصور می‌شود که ۲۳٪ از ماده تاریک تشکیل شده باشد و ۷۳٪ باقی مانده را نیز انرژی تاریک تشکیل داده باشد، که همانند ماده تاریک در فضای کائنات توزیع شده و به همان اندازه ماده تاریک ناشناخته و مجهول مانده‌است.

🔘 تعیین خواص و ویژگی‌های این توده ناشناخته به یکی از مهم‌ترین مسائل کیهان‌شناسی مدرن و فیزیک ذرات تبدیل شده‌است.

➖ این نکته قابل ذکر است که اسامی «ماده تاریک» و «انرژی تاریک» در بیشتر مبین عدم اطلاع انسان از ماهیت این دو ماده و ناشناخته بودن آن است.

🔅 یک اخترشناس در این باره می‌گوید: «به یاد داشته باشید که ما این پدیده را انرژى تاریک مى نامیم اما این نامگذارى ممکن است این باور غلط را در ذهن مخاطبان ایجاد کند که ما حقیقتاً مى دانیم که آن پدیده چیست.

👈 اما باید اذعان داشت که ما واقعاً چیز زیادى در این باره نمى دانیم».

🔘 با اینکه ساختار و ویژگی‌های ماده تاریک هنوز کاملا” مشخص نیست، اما این طور تصور می‌شود که بخش اعظم ماده تاریک موجود در جهان، «غیر باریونی» باشد، که به معنا آن است که دارای هیچ اتمی نیست و به وسیله نیروی مغناطیسی به سمت مواد معمولی جذب نخواهد شد.

⚫️ ماده سیاه #غیرباریونی شامل #نوترینو و احتمالا” دارای اجزای دیگری مانند مواد فرضی ای چون « #آکسیون » (axions) و « #ابرمتقارن » (supersymmetric) می‌باشد.

⚫️ برخلاف ماده تاریک باریونی، ماده تاریک غیر باریونی در شکل گرفتن عناصر در ابتدای آفرینش نقشی نداشته و وجودش تنها به دلیل جاذبه گرانشی آن اثبات می‌شود.

➖ به علاوه، اگر همه اجزایی که ماده تاریک از آنها تشکیل شده باشد ابرمتقارن باشند، واکنش‌ها و برخوردهای آن‌ها با یکدیگر موجب نابودی آن‌ها شده و فراورده‌هایی قابل مشاهده نظیر #فوتون و #نوترینو حاصل می‌شوند.

⚫️ با اینکه وجود ماده تاریک در جهان مهم و ضروری به نظر می‌رسد، اما هنوز مدارک و دلایل قطعی مبنی بر وجود این ماده و طبیعت آن به دست نیامده‌است.

✅ با این وجود تئوری ماده تاریک به عنوان قابل قبول‌ترین فرضیه برای توجیه انحراف در حرکت وضعی کهکشان است.

🔅 سرعت چرخشی ستاره‌ها در کهکشان‌ها از رابطه‌ای که از قوانین #کپلر انتظار داریم پیروی نمی‌کند و برحسب فاصله از مرکز کهکشان ثابت است.

👆 برای توضیح این پدیده باید توزیع جرم در کهکشان به طور خطی با شعاع زیاد شود، اما این توضیح با مشاهدهٔ کهکشان‌ها در قسمت مرئی که نشان می‌دهد بیشتر جرم در ناحیه مرکزی متراکم شده‌است ناسازگار است.

👈 بنابراین فرض می‌شود که این جرم نایافته از مادهٔ تاریک (که آن را نمی‌بینیم) ساخته شده باشد.

🔹🔸 چند فرضیه دیگر نیز، مانند فرضیه #موند (MOND) و فرضیه #توز (TeVeS) برای توجیه این موضوع مطرح شده‌اند، اما هیچ کدام به اندازه نظریه #ماده_تاریک در مجامع علمی مقبولیت پیدا نکرده‌اند.

🔭 با این وجود برخی پژوهش‌های جدید نشان داده‌است امکان دارد در مشاهدات تلسکوپ WMAP اشتباهاتی رخ داده باشد که اگر این امر ثابت شود به این نظریه اشکالاتی وارد می‌شود.

🔘 داستان کشف ماده‌ی تاریک

"قسمت پنجم"

✅ ماده تاریک نقش بسیار اساسی در رشد بذرهای اولیه و تشکیل ساختار اولیه کیهان دارد.

👈 به گونه‌ای که بدون آن کهکشان‌های امروزی نبودند.

💥 در کیهان اولیه جرم کاملا همگن از گازهای هیدروژن و هلیوم بود.

➖ برای شکل گیری ساختارها باید گازهای برخی مناطق در مقایسه با سایر قسمت‌ها متراکم و چگال‌تر شوند.

🔹🔸 چگالی میانگین درون یک کهکشان تقریبا 1 میلیون برابر بیشتر از چگالی میانگین کیهان است.

👈 در نتیجه برای تشکیل کهکشان‌ها و نواحی باید از گاز متراکم شود به گونه ای که چگالی باید بیشتر از چگالی زمینه گازی شود.

⚡️ چه عاملی باعث چگالش گاز در برخی نواحی شد❓

✅ پاسخ #گرانش است.

✔️ این نیرو می‌تواند باعث رشد غیر یکنواخت چگالی در محیط گازی گردد.

⚛ فرض کنید افت و خیزهای کوانتومی در اثر نوسانات کوانتومی در محیط کاملا یکنواخت اولیه بوجود آید.

➖ با گذشت زمان نیروی #گرانش باعث رشد این افت و خیزها ی کوچک شده بگونه‌ای که بعد از مدتی برخی از نواحی چگال‌تر از نواحی مجاور خود می‌شدند.

✅ نواحی با #چگالی بیشتر دارای #گرانش بیشتری شده و باعث جذب ماده بیشتر میشود به این فرآیند “ #ناپایداری گرانشی ” گویند.

🔹 در واقع کلید ساختارهای امروزی حاصل از افت و خیزهای کوانتومی در ابتدای کیهان بوده است.

🔅 نحوه شکل گیری افت و خیزهای کوانتومی و چگال در کیهان اولیه چه بوده❓

✅ در واقع کیهان اولیه شامل #پرتون #نوترون و #الکترون تابش و مقداری زیادی ماده تاریک بوده است.

⚫️ تقریبا الان میدانیم ماده تاریک 10-100 برابر ماده مرئی و #نوکلئونهاست .

⚛ قبل از تشکیل اتمهای خنثی , #الکترونها #پروتونها به طور مستمر #فوتونها را جذب می‌کردند و نشر می‌دادند و بهمین دلیل نوسانات #چگالی در ماده معمولی باعث افت و خیزهایی در چگالی فوتون‌ها می‌شود.

✅ یعنی نواحی که چگال‌تر است؛ #فوتون بیشتری جذب و گسیل می‌کند و ماده با تابش برهمکنش بیشتری دارد.

⚡️ از آن‌جا که #فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند پس در هیچ مقیاسی تراکمی از انرژی تابشی نداریم.

☑️ با توجه به اینکه ماده معمولی و تابش خیلی با هم جفت شدند به نظر می‌رسد تراکم ماده معمولی نخواهیم داشت.

👈 نتیجه اینکه با جفت شدن تابش و ماده، افت و خیزهای چگالی نمی‌تواند رشد کند…

➖ پس ساختارهایی مثل کهکشان‌ها نمی‌توانند از ماده معمولی به تنهایی شکل بگیرند.

🔘 اینجاست که کلی ماجرا در دست ماده تاریک است. چگونه❓

🔸 در کیهان اولیه افت و خیزهای چگالی در ماده معمولی و تاریک وجود داشته است.

➖ چون تابش فقط با ماده معمولی جفت شده است با انبساط کیهان افت و خیزهای چگالی ماده تاریک متناسب با انبساط کیهان رشد خواهد کرد در حالیکه افت و خیزهای چگالی ماده تاریک هیچ...

👈 اما ماده معمولی اندکی رشد می‌کند.

🔘 بعد از آنکه اتم‌های خنثی شکل گرفتند و ماده معمولی از تابش جدا شد اثرات گرانشی ماده تاریک وارد عمل می‌شود و باعث رشد افت و خیزهای چگالی ماده می‌شدند.

👈 بدین ترتیب افت و خیزهای چگالی در ماده معمولی و تاریک رشد و تا نهایتا ساختارهایی مثل کهکشان‌ها شکل بگیرند.

⚛ می‌دانیم ذرات ماده تاریک بار الکتریکی ندارند از خودشان تابشی گسیل نمی‌دهند و برهمکنشی ندارند.

➖ پس توده‌ای از ماده تاریک که در کنار هم قرار گیرد نمی‌تواند انرژی از دست بدهد در نتیجه اندازه اش تغیری نمی‌کند؛

👈 اما این هاله باعث جذب ذرات اطراف خود می‌شود چرا که ذرات ماده معمولی در نیروی گرانش ماده تاریک به دام میافتد.

⚫️ ماده معمولی در چاه پتانسیل ماده تاریک گرفتار میگردد و چون ماده معمولی با تابش برهمکنش دارد پس علت نشر تابش سرد شده گاز نیز سرد میشود و دما و انرژی جنبشی کاهش میابد.

➖ به سمت پایین‌ترین نقطه چاه پتانسیل ماده تاریک حرکت می‌کند اینگونه ماده معمولی در مرکز هاله ماده تاریک شکل می‌گیرد.

🔹 این تصویر با شواهد تجربی که امروز از توزیع ماده تاریک در اطراف کهکشان‌هاست کاملا سازگاری دارد.

🔘 اما انرژی تاریک چیست❓

👈 می‌دانیم در دهه 20 میلادی #ادوین_هابل کشف کرد کهکشانهای دیگری هستند که در حال دور شدن از ما هستند.

➖ تاقبل از آن همه فکر می‌کردیم که عالم ما تنها راه‌شیری و ایستا می‌باشد.

⚡️ حتی برای اثبات آن #انیشتین یک ثابت کیهان‌شناسی وارد معادله‌اش کرد.

🔹 بعدها به انبساط کیهان پی بردیم.

👈 تا سال 1998 همه فکر میکردیم به علت گرانش و با توجه به #نسبیت_عام سرعت انبساط کیهان در حال کاهش است.

👈 اما انقلابی دیگر در ایده و نظر ما باعث شد بفهمیم انبساط کیهان شتابدار است

✅ یعنی عاملی ناشناخته “ #انرژی_تاریک ” بر خلاف گرانش در حال عمل کردن است.

⚡️ « #آیروژل » سبک‌ترین ماده جامد جهان دارای کمترین #چگالی‌ است،

👈 و همین‌طور عایق گرمایی بسیار خوبی نیز هست،

👈 و در صنعت #هوافضا استفاده می‌شود❗️


⚛ @dr_nayeri ✍