بزرگ‌ترین اسرار گیتی (۴): ماده تاریک از چه ساخته شده است؟

سرنخ‌های دیگری که ما هم‌اکنون در مورد ماده تاریک داریم، از مطالعۀ خوشه‌های کهکشانی حاصل شده است. در جریان همان دهۀ ۱۹۳۰، ستاره‌شناسی آمریکایی به نام فریتز تسوئیکی (Fritz Zwicky) به این نتیجه رسید که ابرهای بسیار بزرگ‌تری از ماده تاریک در خوشه کما (Coma cluster) وجود دارند. این خوشه کهکشانی فاصله‌ای بالغ بر ۳۰۰ میلیون سال نوری از زمین دارد. تسوئیکی با بررسی دگرسانی داپلر هر یک از کهکشان‌های موجود در خوشه کما، چنین نتیجه‌گیری کرد که مقدار مادۀ موجود در کیهان باید ۱۰ برابر آن چیزی باشد که به کمک نور مرئی آشکار شده، تا بتواند کهکشان‌ها را در کنار یک‌دیگر نگه دارد.

یکی از بزرگ‌ترین اسراری که ما هم‌اکنون با آن سر و کار داریم، از پرسشی بسیار ساده برخاسته است: ماده تاریک از چه ساخته شده است؟ دانشمندان طی سال‌های گذشته، پاسخ‌های متفاوتی به این پرسش داده‌اند. هر یک از این پاسخ‌ها نیز در توجیه مشاهداتی که تا کنون گزارش گردیده، نقاط قوت و ضعف خود را دارد. اصلی‌ترین مواردی که به عنوان واحد سازندۀ ماده تاریک پیشنهاد شده‌اند عبارتند از:

• نوترینوها
• اشیای هاله‌ای فشردۀ اخترفیزیکی عظیم (MACHOها)؛ نظیر کوتوله‌های قهوه‌ای، ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها
• و ذرات بزرگ با برهم‌کنش ضعیف (WIMPها)؛ نظیر ذرات بیگانه، اکسیون‌ها، نوترینوهای عظیم و فوتینوها.

ماده تاریک از هر چه که تشکیل شده باشد؛ نقش انکارناپذیری در ساختار و آیندۀ کیهان دارد؛ چرا که به تنهایی ۲۶ درصد از کل ماده – انرژی جهان را به خود اختصاص داده است. حدود ۸۵ درصد از مادۀ موجود در جهان از ماده تاریک باریونی و غیرباریونی تشکیل یافته است. در فیزیک ماده، باریون (baryon) به نوعی ذره زیراتمی ترکیبی گفته می‌شود که از تعداد فردی (حداقل ۳) از کوارک‌ها ساخته شده است. این ذرات از طریق نیروهای هسته‌ای قوی با یک‌دیگر برهم‌کنش دارند. چنین برهم‌کنشی بین پروتون و نوترون نیز دیده می‌شود.

ماده تاریک داغ در برابر ماده تاریک سرد

حال خود ماده تاریک غیرباریونی به دو نوع ماده تاریک داغ (HDM) و ماده تاریک سرد (CDM) تقسیم می‌گردد. منظور از “دما” در هر یک از این دو مدل، سرعت حرکت ذرات است. نوترینوها محتمل‌ترین نماینده برای ماده تاریک داغ محسوب می‌شوند، در حالی که WIMPها سردم‌دار گروه CDM یا ماده تاریک سرد هستند. MACHOها، که حالتی از ماده تاریک باریونی به شمار می‌روند، درصد کمی از کل ماده تاریک غیرباریونی را می‌سازند.

حال دنیایی که HDM بر آن غلبه داشته باشد، به معنی وجود مقدار ناچیزی از ماده بین خوشه‌های کهکشانی خواهد بود. اما مشاهداتی که تا کنون در این مورد صورت گرفته، گواه از عکس این قضیه داده و مدل HDM را از اعتبار ساقط می‌کند.

در صورتی که شمار عظیمی از نوترینوها در مراحل ابتدایی شکل‌گیری کیهان ایجاد می‌شدند، امروزه دیگر خبری از افت‌وخیزهای موجود در تابش زمینه کیهانی نبود. ولی می‌دانیم که این افت‌وخیزها وجود دارند. از همین رو، بخش اعظم ماده تاریک باید در قالب ماده تاریک سرد در کیهان توزیع شده باشد. آمار و ارقام به نفع ذرات نسبتاً کم‌سرعت، بیگانه و بزرگ است. اما ستاره‌شناسان باید حالا حالاها تلاش کنند تا بتوانیم به پاسخ یکی از بزرگ‌ترین اسرار نجوم در قرن حاضر دست پیدا کنیم.