جهان، پر از تاریکی است

احسان سنایی

تا ۱۹۳۳، جهان‌مان را خوب می‌شناختیم؛ جهانی بی‌دغدغه با حقایقی برملا و مشخص. جهانی که اگر پذیرای ذهن کنجکاو کسانی چون «فریتز زوئیکی» نبود، نمی‌شد آن را با تنها یک مقاله‌ی ۲۷ صفحه‌ای و مختصر، از انبوه سؤالات بی‌پاسخ انباشت. سؤال این بود:

چرا به رغم جرم اندک کهکشان‌ها، اجتماعاتِ فشرده‌ی کهکشانی از هم نمی‌گسلند؟

بخشی از خوشه‌ی کهکشانی Abell-1689. هاله‌های زردرنگ، کهکشان‌های این خوشه‌اند و کمان‌های دراز و بارزی که در تصویر دیده می‌شوند، نور کهکشان‌های پس زمینه‌اند که تحت تأثیر گرانش ماده تاریک و مرئی این خوشه، دچار اعوجاج و کشیدگی شده‌اند؛ پدیده‌ای که به عدسی گرانشی موسوم است / NASA / STScI

این اجتماعات اصولاً می‌بایست تا چهارصد برابر حد کنونی‌ خود از ماده انباشته باشند تا اینچنین باثبات و استوار دیده ‌شوند؛ ماده‌ای که نمی‌بینیم اما وجود دارد. مطالعات فراتر، از حقایق شگرفی سخن می‌گفت ... جهان ما دیگر آسان نبود؛ چراکه تنها چهار درصد از آن را تا آن روز دیده بودیم.

دانشمندان از ماده‌ای که حضور آن را «تنها» با تعاملات گرانشی‌اش با ماده مرئی می‌توان دریافت، به نام «ماده‌ی تاریک» یاد کرده‌اند؛ ماده‌ای که هیچ از خود نور گسیل نمی‌کند. البته مفهوم «ماده‌ی تاریک»، همانند آن است که در پاسخ به این سؤال که مثلا «آن میز کجاست؟»؛ بگوییم «همان جایی است که میز در آن‌جاست!»؛ چراکه اصولاً هیچ ماده‌ی شناخته‌شده‌ای را نمی‌توان مسئول رفتارهای شگفت‌آور ماده‌ی تاریک دانست.

پس حتی ما هنوز نمی‌دانیم آیا واقعاً ماده‌ی تاریکی وجود دارد، یا اینکه قوانین فیزیک نیازمند تحولات بزرگ است.

چندی از دانشمندان، با فرض وجود کاستی‌هایی در قوانین فیزیک، دست به طراحی نظریه‌ای موسوم به «دینامیک تغییرشکل‌یافته‌ی نیوتونی» یا به اختصار MOND زدند که بر اساس آن، قانون دوم نیوتون برای جسمی که با شتاب فوق‌العاده اندکی در حرکت است (همانند ستارگان)، تغییرات قابل ملاحظه‌ای را تجربه خواهد کرد که ما عملاً در نخستین نگاه، این تغییرات را با حضور «ماده»ای با خواص ماده‌ی تاریک تفسیر می‌کنیم.

این نظریه در برخی موارد به‌درستی به توصیف پدیده‌های طبیعی می‌پرداخت اما چندی نگذشت که رصدهای تلسکوپی از حقیقت دیگری خبر می‌داد.

در سال ۲۰۰۶، گروهی از ستاره‌شناسان با تلفیق داده‌های حاصله از رصد خوشه‌ای از کهکشان‌ها موسوم به «خوشه بولِت» در پرتوهای ایکس و مرئی بوسیله تلسکوپ‌های فضایی چاندرا (ایکس) و هابل (مرئی)، موفق شدند برای نخستین بار شواهد محکمی دال بر وجود «ماده»ی تاریک ارائه کنند.

خوشه‌ی بولت، مجموعه‌ای نسبتاً شلوغ، حاصل ادغام دو خوشه‌ی کهکشانی کوچکتر است که در گذشته بوقوع پیوسته؛ هرچند آثار این تصادم کیهانی را امروزه هم می‌توان یافت. هابل، با بهره‌گیری از روشی موسوم به «عدسی گرانشی»¹، به نقشه‌برداری از نحوه توزیع جرم خوشه‌ی مزبور پرداخت. مأموریت چاندرا، نقشه‌برداری از تجمع گاز داغ میان‌کهکشانی بود.

تصویر تلفیقی پرتو ایکس (نواحی قرمزرنگ) و نقشه‌برداری از توزیج جرم خوشه بولت (آبی). توضیحات بیشتر در متن ذکر شده است / NASA / STScI / CXO

خوشه‌های کهکشانی، همان‌گونه که میزبان ده‌ها کهکشان گوناگون‌اند، مقادیر هنگفتی گاز را نیز در فواصل بینابین کهکشان‌ها جای داده‌اند که به‌سبب بروز اصطکاک شدید توده‌های گازی در حین حرکت کهکشان‌ها، دمایشان تا حد گسیل پرتوهای ایکس افزایش می‌یابد.

از این‌رو شواهد تصادمی که به ایجاد خوشه بولت انجامید را می‌توان بوسیله‌ی رصدهای پرتو ایکس، به آسانی به دست آورد. تصویر دوم، نتیجه‌ی چنین پژوهشی را به‌وضوح نشان داده است.

مناطق آبی‌رنگ، توزیع ماده‌ی تاریک را بر اساس محاسبات هابل؛ و نواحی قرمزرنگ، محل تجمع گازهای داغ میان‌کهکشانی را نشان می‌دهد.

دانشمندان دریافتند میلیاردها سال پیش که دو خوشه‌ی کوچکتر در حال برخورد به یکدیگر بودند، گازهای داغ واقع در فضای بین کهکشان‌هایشان به هم برخورد کرده و متوقف شده‌اند؛ درحالیکه هاله‌های ماده‌ی تاریک دو خوشه همچون دو روح، بدون کوچکترین واکنشی از درون هم رد شده و همدیگر را پشت سر گذاشته‌اند! این، محکمترین دلیل برای پذیرش ساختار نامتعارف ماده تاریک بود؛ ماده‌ای که اصطکاک نمی‌شناسد و البته وجود دارد!

هرچند وجود ماده تاریک اثبات شده بود، اما هیچ‌کس نمی دانست این ماده چگونه ساختاری دارد؛ ماده‌ای که بیش از ۹۰ درصد سهم ماده‌ی کیهان را به خود اختصاص داده است.

فیزیکدانان، ذرات بنیادین ماده تاریک را WIMP، مخفف عبارت «ذرات پرجرم با اندرکنش ضعیف» نام نهادند؛ هر‌چند این نام‌گذاری نیز تفاوتی با مثال میز در بالا نداشت! ویمپ‌ها در صورت وجود، تنها به نیروی ضعیف هسته‌ای و گرانش واکنش نشان می‌دهند و از این‌رو تشخیص‌شان فوق‌العاده دشوار است.

یکی از جاه‌طلبانه‌ترین پروژه‌های شکار ویمپ، «جستجوی برودتی برای ماده‌ی تاریک» یا به اختصار CDMS نام دارد که در سال ۲۰۰۳ و در عمق ۷۸۰ متری زمین واقع در شمال ایالت مینه‌سوتا، آغاز به کار کرد و پنجشنبه‌ی گذشته برای نخستین بار از زمان تأسیس، خبر موفقیت این پروژه در تشخیص ردپای احتمالی دو ویمپ منتشر گردید.

آشکارسازهای منحصربفرد CDMS، متکی به چندین لایه کریستال‌ از جنس ژرمانیوم و سیلیکون‌اند که در دمای ۵۰ میلی‌کلوین (۲۷۳.۱۵۵- درجه سانتیگراد) نگه‌داری می‌شوند.

هر کدام از این لایه‌ها، با پوششی از جنس آلومینیوم یا تنگستن پوشانده شده که به دلیل قرارگیری در شرایط فوق‌العاده سرد، حالت ابررسانایی یافته‌اند.

زمانی که یک ویمپ به کریستال‌ها برخورد کند، با لگد زدن به یکی از اتم‌های سیلیسیم یا ژرمانیوم، ارتعاشات ریزمقیاس اما گسترده‌ای را در پهنه آشکارساز ایجاد می‌کند که به تغییرات دمایی شدیداً اندک پوشش فلزی کریستالِ مربوطه خواهد انجامید. این تغییرات دمایی با مقاومت الکتریکی ناچیزی که ایجاد می‌کند، قابل ردیابی است.

یکی از چندین آشکارساز آزمایشگاه CDMS

دلیل استقرار تأسیسات CDMS در عمق چندصدمتری زمین و درون یک معدن متروکه آهن، جلوگیری از ورود پرتوهای مزاحم به حریم آشکارسازهاست. با این حال، تمامی آشکارسازها با لایه‌ای ۴.۵ سانتیمتری از سرب اندود شده‌اند تا هرگونه تردیدی در این خصوص برطرف شود.

البته سربِ به‌کاررفته در این تأسیسات نیز از بدنه یک کشتی غرق‌شده‌ی فرانسوی با قدمت صدها سال استخراج شده است؛ چراکه این سرب‌ها به اندازه کافی قدیمی‌اند تا دیگر هیچ ایزوتوپِ متلاشی‌‌نشده‌ای در آن‌ها وجود نداشته باشد و در کار دانشمندان اخلال ایجاد نسازد.

پنجشنبه گدشته، دانشمندان CDMS اعلام کردند که در سال ۲۰۰۷، شواهدی دال بر برخورد دو ذره‌ی فوق‌سنگین به آشکارسازها به ترتیب در پنجم آگوست و ۲۷ اکتبر یافته‌اند که احتمال تعلق چنین ردپاهایی به یک ویمپ، ۷۵ درصد است و در‌غیراینصورت این احتمال را بایستی به پرتوهای سرگردان و ناشناس عبوری منسوب دانست.

اگرچنانچه یک ویمپ مسئولیت چنین نمایش سریعی را عهده‌دار بوده یاشد، آنگاه جرم ذرات ماده تاریک مابین ۳۰ تا ۶۰ گیگاالکترون‌ولت (در حدود ۳۰ تا ۶۰ برابر یک پروتون) خواهد بود که در نوع خود شدیداً زیاد است.

با این حال، «تیموتی سامنر» استاد فیزیک کالج سلطنتی انگستان و سرپرست پروژه‌ی Zeplin-III - که رقیبی برای CDMS محسوب می‌شود - معتقد است:

«شانس سه به چهار، به اندازه‌ی کافی برای ادّعای کشفِ قطعی ویمپ‌های فراری، کافی نیست. از لحاظ آماری چنین نتایجی راضی‌کننده نیست. سؤال بزرگ این است که آیا این آزمایش، به‌قدر کافی پرتوهای عبوری را نیز مدنظر قرار داده است یا خیر.»

با وجود این، نتایج CDMS در نوع خود رضایت‌بخش و امیدوارکننده‌اند. در صورتی که دانشمندان به کشف مجموعاً پنج نمونه از چنین مشاهداتی نائل آیند، آنگاه می‌توان گفت که ماده‌ی تاریک را به دام انداخته‌ایم. تا بدین‌جای کار، به گفته «جان الیس»، فیزیکدان نظری مؤسسه CERN، «بهترین نامی که می‌توان بر آن نهاد، یک نشانه است؛ یک نشانه‌ی جذاب.»

در آگوست ۲۰۰۸، آزمایشی فضایی به سرپرستی کشور ایتالیا موسوم به «پاملا»، مقادیر فراوان و پیش‌بینی‌نشده‌ای از پوزیترون‌های فضایی را به ثبت رسانید که به احتمال زیاد از واپاشی ذرات ماده تاریک نشأت می‌گرفتند.

در اکتبر سال جاری نیز رصدخانه‌ی مداری پرتوگامای فرمی متعلق به ناسا، هاله‌ی مه‌آلودی از نوری شدید را گرداگرد مرکز یک کهکشان مشاهده نمود که به احتمال زیاد ارتباطی قوی با ماده‌ی تاریک داشت.

نتایج منتشر شده از آزمایش CDMS، با شواهد رصدی پاملا و فرمی همخوانی داشته و دانشمندان می‌توانند با توجه به بازه‌ی انرژی‌های پیشنهاد شده توسط این آزمایش، ویمپ‌ها را تا پایان سال میلادی آتی، در فرآیندی ساده و نسبتاً سریع در ابرتصادم‌گر هادرونی (LHC) بازسازی نمایند و بدین‌طریق آنچه CDMS یافته را مورد تأیید یا تکذیب قطعی قرار دهند.

با این حال آزمایشاتی چون Zeplin-III، تا چند ماه آینده چنین کاری را خواهند کرد و دانشمندان بی‌صبرانه به چنین آزمون‌هایی چشم دوخته‌اند.