ماده گریزانی که در جهان نفوذ می‌کند، اثرات گرانشی قابل فهمی را نشان می‌دهد در حالیکه از کشف مستقیم طفره می‌رود.
این مقاله خرد، یکی از بخش‌های بزرگ‌ترین سؤالات علم است. برای دسترسی به تمام محتوا اینجا کلیک کنید.
فیزیکدانان و منجمان تشخیص داده‌اند که بیشتر مواد موجود در کیهان “ماده تاریک” می‌باشد که ما از طریق تاثیرات گرانشی، و نه از طریق اثرات الکترومغناطیسی، همانند آنچه در مواد معمول و آشنا می‌بینیم، به آن پی می‌بریم. ماده تاریک یکی از ساده‌ترین مفاهیم فیزیک است که با این وجود، به علت دیدگاه انسانی ما می‌تواند گیج کننده باشد. هر کدام از ما پنج حس داریم که همه‌ی آن‌ها از برهمکنش‌های الکترومغناطیسی سرچشمه می‌گیرند. مثلا بینایی بر اساس میزان حساسیت ما به نور است: امواج الکترومغناطیسی که در محدوده‌ی خاصی از فرکانس قرار دارند. ما می‌توانیم موادی که با آن‌ها آشنا هستیم را ببینیم، چون که اتم‌های تشکیل دهنده‌ی آن‌ها نور را جذب یا منتشر می‌کنند. بار‌های الکتریکی که الکترون‌ها و پروتون‌ها در اتم‌ها دارند، دلیل بینایی ما هستند.
با این حال ماده لزوما متشکل از اتم نیست. اکثر مواد می‌توانند از جنس‌های کاملا متفاوتی ساخته شده باشند. ماده هر چیزی است که همانند اجسام معمول با گرانش برهم کنش می‌کند- مثلا انباشته شدن در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی.
مقاله مرتبط: دانشمندان کهکشانی تقریباً بدون ماده تاریک یافته اند
دلیلی بر اینکه همه مواد باید متشکل از ذرات باردار باشند وجود ندارد اما ماده‌ای که هیچ برهمکنش الکترومغناطیسی هم نداشته باشد، برای چشمان ما نامرئی خواهد بود. ماده به اصطلاح تاریک، هیچ (یا تاکنون به اندازه‌ی غیر قابل کشفی اندک) بار الکترومغناطیسی ندارد. کسی آن را مستقیما با چشمانش یا حتی ابزار‌های حساس اپتیکی مشاهده نکرده است؛ با این حال ما به علت اثرات گرانشی متعددش، معتقدیم که وجود خارجی دارد. این اثرات شامل تاثیر ماده تاریک بر ستارگان کهکشان ما (که با سرعت‌های بسیار زیاد برای کنترل نیروی گرانشی مواد عادی می‌چرخند) و حرکت کهکشان ها در خوشه‌های کهکشانی (باز هم با موادی که ما می‌بینیم بسیار سریع به حساب می‌آیند)؛ اثر آن بر تابش زمینه مایکروویو کهکشانی که از زمان بیگ بنگ (انفجار بزرگ) باقی مانده است؛ تاثیر آن بر مسیر‌های مواد مرئی حاصل از انبساط ابرنواختر‌ها؛ خم شدن نور که به عدسی گرانشی (کهکشان یا هر توده عظیم مشابهی که نیروی جاذبه‌اش به اندازه‌ای زیاد است که نور اجرام سماوی دوردست را منکسر می‌کند) شناخته می‌شود؛ و مشاهده این که مواد مرئی و نامرئی در خوشه‌های کهکشانی ادغام شده، از هم جدا می‌شوند؛ می‌شود.
با این حال، شاید مهم‌ترین نشانه وجود ماده تاریک، وجود ماست. علی‌رغم نامرئی بودن ماده تاریک، وجود آن برای تکامل جهان ما و ظهور ستارگان، سیارات و حتی حیات قطعی بوده‌است؛ به این علت که پنج برابر ماده معمولی جرم دارد، علاوه بر این با نور هم مستقیما برهمکنش نمی‌کند. هر دو این ویژگی‌ها برای خلق سازه‌هایی مانند کهکشان‌ها در مدت زمانی (نسبتا کوتاه) که می‌دانیم به اندازه‌ی طول عمر یک کهکشان عادی است – و به ویژه شکل گیری کهکشانی به اندازه‌ی راه شیری، قطعی است. بدون ماده تاریک تابش از انباشته شدن ساختار کهکشان در مدت زمان طولانی جلوگیری می‌کند. در اصل آن را از بین برده و کیهان را هموار و همگن نگه می‌دارد. کهکشانی که برای منظومه شمسی و حیات ما ضروری است، در زمان بیگ بنگ و تنها به علت وجود ماده تاریک تشکیل شده است.
برخی از مردم نخستین باری که راجع به ماده تاریک می‌شنوند، احساس ترس می‌کنند. چیزی که ما نمی‌بینیم، چگونه وجود دارد؟ حداقل از زمان انقلاب کپرنیک (Copernican revolution) انسان‌ها باید آماده پذیرش عدم مرکزیت خود در ساختار جهان می‌شدند. با این وجود هر بار که انسان‌ها در زمینه جدیدی راجع به آن یاد بگیرند، بسیاری از آن‌ها متعجب می‌شوند. هیچ دلیلی مبنی بر اینکه ماده‌ای که ما می‌بینیم باید تنها نوع ماده باشد، وجود ندارد. وجود ماده تاریک باید مورد انتظار و سازگار با چیز‌هایی باشد که ما می‌شناسیم.
مقاله مرتبط: از من بپرس: فرق بين ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک چیست؟
شاید برخی از سردرگمی‌ها به علت اسم آن باشند. ماده تاریک در واقع باید ماده شفاف نامیده شود. چون همانند همه‌ی مواد شفاف نور از آن عبور می‌کند گرچه ماهیت آن از شفافیت دور است. فیزیکدانان و اختر‌شناسان دوست دارند در سطح اساسی‌تری، اینکه ماده تاریک دقیقا چیست را درک کنند. آیا آن از نوع جدیدی از ذرات بنیادی ساخته شده یا از اشیا نامرئی و متراکم مانند سیاه‌چاله‌ها تشکیل شده است؟ اگر ذره است، آیا هیچ (هر چند کم) برهم کنشی با ماده شناخته شده دارد؟ آیا آن ذره هیچ برهم کنشی با خودش دارد که برای حواس ما نامحسوس باشد؟ آیا بیش از یک نوع از چنین ذره‌ای وجود دارد؟ آیا هر یک از این ذرات دارای هرگونه برهم کنشی هستند؟
من و همکاران نظری من، در مورد شماری از احتمالات جالب اندیشیده‌ایم. اگرچه در نهایت در مورد ماهیت واقعی ماده تاریک، تنها به کمک مشاهدات بیشتر برای راهنمایی ما، خواهیم آموخت. این مشاهدات ممکن است شامل اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر از ماده‌ی تاریک باشند یا – اگر خیلی خوش شانس باشیم و ماده‌ی تاریک برخی برهم کنش‌های غیر گرانشی اندکی با مواد عادی داشته باشد که ما تاکنون موفق به مشاهده آن‌ها نشده‌ایم –شاید در آینده، آشکارساز‌های بزرگ زیر زمینی، ماهواره‌ها در فضا یا برخورددهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) در CERN نزدیک ژنو، ذرات ماده تاریک را کشف کنند. حتی بدون چنین بر‌هم‌کنش‌هایی با مواد معمولی، ممکن است برهم کنش‌های ماده تاریک با خودش، نتایج جالبی داشته باشد. مثلا ساختار داخلی کهکشان‌ها در مقیاس‌های کوچک، متفاوت خواهد بود، اگر برهم کنش‌های ماده تاریک با خودش باعث بازآرایی مواد در مراکز کهکشانی شود. ساختار متراکم یا ساختار‌هایی مشابه کهکشان راه شیری، مانند ابر‌ها و ستارگان گازی روشنی که وقتی به آسمان شب نگاه می‌کنیم، می‌بینیم؛ می توانند یک یا چند نوع متفاوتی از ذرات ماده تاریک که برهم کنش می‌کنند را نشان دهند. یا ممکن است در فضا یا آزمایشگاه‌ها، ذرات فرضی به نام اکسیون‌ها (axions) که با میدان‌های مغناطیسی برهم کنش می‌کنند، شناسایی شوند.
برای یک نظریه پرداز، یک ناظر یا یک تجربی کار، ماده تاریک یک هدف امیدوار کننده برای پژوهش است. ما می‌دانیم که ماده تاریک وجود دارد اما هنوز نمی‌دانیم که در یک سطح اساسی چیست؟ شاید دلیل ندانستنمان، تاکنون واضح شده باشد: اینکه به اندازه کافی برهم کنش نمی‌کند تا برای ما آشکار شود، حداقل تاکنون. در جایگاه انسان، ما تنها زمانی می‌توانیم کار‌های زیادی انجام دهیم که به هر چیزی جز ماهیت ماده تاریک، بی توجه باشیم. اما اگر ماده تاریک دارای خواص جالب‌تری باشد، محققان به دنبال یافتن آن و کمک به ما در این فرآیند برای اشاره کامل‌تر به این راز فوق العاده هستند.
