آیا ماده‌ی تاریک در ترکیب با ماده‌ی معمولی یافت شده است؟ اگر اینطور است با چه نیروی چسبندگی داخلی بهم آمیخته شده‌اند؟

پاسخ اختصاصی به کانوت:

دانشجوی دکتری در موسسه نجوم دانشگاه توهوکو. شهر سندای. ژاپن - پژوهش‌گر در زمینه‌ی تشکیل و تکامل کهکشان‌ها و روش پردازش داده‌ها

در نظر داشته باشید که ماده‌ی تاریک «یافت» نشده است! ماده‌ی تاریک در مدل‌هایمان «تعریف» یا «خلق» شده است. حتی مانند پادالکترون در مدل‌ها «یافت» نشده است که بعداً در طبیعت مشاهده یا کشف شود. بلکه صرفاً برای اینکه مدل‌هایمان با داده‌ها جور در بیاییند آن را «خلق» یا «تعریف» کرده‌ایم. این پرسش باعث شد به همراه یکی از دوستانم یک مقاله‌ی نسبتاً بلند در مورد اینکه «آیا ماده‌ی تاریک وجود دارد یا خیر؟ بخش نخست: مقایسه‌ی تاریخی» بنویسیم تا روی سایت کانوت منتشر کنیم‌.  به این خاطر واقعا از شما ممنونم که این پرسش را مطرح کردید و همینطور معذرت می خواهم که جواب کمی دیر منتشر شد.

پس ماده‌ی تاریک «یافت» نشده است، «تعریف» شده است. حالا می‌توان از خواصی که برای آن «تعریف» کردیم صحبت کنیم. منشاء خلق ماده‌ی تاریک (در بخش سوم آن مقاله به طور مفصل بحث خواهد شد)‌ مشاهده‌ی خوشه‌های کهکشانی بود (در سال ۱۹۳۲) که کهکشان‌ها در آن‌ها سرعت‌های خیلی زیادی داشتند. طولی که با تنها با ماده‌ی معمولی به هیچ وجه آن خوشه‌ها نمی‌توانستند از لحاظ گرانشی پایدار بمانند (تا جایی که ما فکر می‌کنیم پایداری گرانشی را می‌شناسیم)! مفهوم ماده تاریک (ماده‌ای که با فرضش بتوان پایداری گرانشی اون سیستم‌ها را توجیه کرد)‌ از اینجا بود که وارد نجوم و حالا ذرات بنیادین شده است. بعد از آن در سال ۱۹۳۹ دیده شد که سرعت چرخش کهکشان آندرومدا آن‌طور که از جرم ستاره‌های آن انتظار می‌رفت، با دوری از مرکز آن کم نمی‌شود! اخیراً هم که لنز‌های گرانشی مشاهده شده‌اند که با دانش امروزی ما تنها می‌توان با همان فرض اولیه‌ی ماده‌ی تاریک آن‌ها را پاسخ داد. مشاهدات دیگری نیز وجود دارد که فعلاً وارد جزییات نمی‌شوم. در بخش سوم آن مجموعه مقاله مفصل به این موضوع خواهیم پرداخت.

شکل ۱. لنز‌های گرانشی موجود خوشه‌ی کهکشانی آبل ۱۶۸۹. لنز گرانشی در ساختار نسبیت عام قابل توضیح است اما جرمی که ما برای ستاره‌ها و گازهای موجود در کهکشان‌ها تعریف می‌کنیم نمی‌تواند به اندازه‌ای باشد که این لنز های به این عضمت را درست بکند. پس مجبوریم فرض کنیم که ماده‌ای دیگر در آنجا وجود دارد که قابل دیدن نیست و «تاریک» است.

شکل ۱. لنز‌های گرانشی موجود در خوشه‌ی کهکشانی آبل ۱۶۸۹. لنز گرانشی در ساختار نسبیت عام قابل توضیح است اما جرمی که ما برای ستاره‌ها و گازهای موجود در کهکشان‌ها تعریف می‌کنیم نمی‌تواند به اندازه‌ای باشد که این لنز های به این عضمت را درست بکند. پس مجبوریم فرض کنیم که ماده‌ای دیگر در آنجا وجود دارد که قابل دیدن نیست و «تاریک» است.

بشر بیشتر تمایل دارد مدل را بر داده ارجح بداند (در آن مقاله مفصل بحث شده است) به خاطر همین  ما امروز از ماده‌ی تاریک حرف می‌زنیم. در حالی که با همان قطعیت می‌توانیم از ضعف مدل‌هایمان حرف بزنیم و اینکه باید مدل‌هایمان را بازنویسی کنیم. تعدادی از دانشمندان مشغول این کار هستند. آنها می‌گویند از آنجایی که داده‌ها با مدل سازگار نیستند پس بیایید فرض کنیم مدل (شناخت ما از مفهوم دینامیک و گرانش)‌ مشکل دارد. آن‌ها مدلی به نام گرانش اصلاح شده معرفی کرده‌اند که متاسفانه زیاد در بین منجمان طرفدار پیدا نکرده است و سرمایه‌گذاری چندانی روی آن انجام نشده است. متاسفانه شبیه‌سازی‌های بسیار گران (با ابررایانه‌های اختصاصی) لازم است که بیشتر آن‌ها بر مبنای فرض وجود  ماده تاریک انجام می‌شوند تا گرانش اصلاح شده. البته منظورم از این حرف حمایت از این مدل نیست! این مدل هم تلاشی برای توجیه مشاهداتی است که با شناخت فعلی ما از طرز کار گیتی سازگار در نمی‌آید!

موافقان وجود ماده تاریک آزمایش‌های زیادی انجام دادند که یکی از آن‌ها همین ماه پیش تمام شد و موفق نشد چیزی که ما ماده تاریک تعریف می‌کنیم را مشاهده کند. ممکن است واقعاً ماده‌ی تاریک وجود داشته باشد، اما با شرایطی که ما انتظار داشتیم دیده نشود یا اینکه اساساً وجود نداشته باشد و مشکل در مدل‌هایمان باشد. تا به امروز ما هیچ امیدی به انتخاب از بین این دو گزینه نداریم. البته منجمان بیشتر امیدوارند گزینه‌ی اول درست باشد. چون بازنویسی کل دانش ما از طبیعت کار ساده ای نیست! آن مجموعه مقاله دقیقاً به همین موضوع خواهد پرداخت.

پس اگر وجود ماده تاریک را فرض کنید، بر مبنای توضیحات بالا، تا جایی که ما فعلاً توانستیم ماده‌ی تاریک رو تعریف کرده‌ایم، به نظر میاد تنها ارتباطی که این ماده با «ماده‌ی معمولی» دارد از طریق گرانشش هست. اگر ارتباط الکترومغناطیسی داشت باید دیده می‌شد یا اینکه جلوی نور اجرام نورانی پشتش،  در طیف‌های قابل سنجش را می‌گرفت که به نظر نمی‌آید دارد می‌گرد! به عنوان مثال با وجودی که مدل‌ها می‌گویند کهکشان‌ها (از جمله همین کهکشان خودمون!) هاله‌ی خیلی عظیم از ماده‌ی تاریک دارد به نظر می‌آید ما خیلی شفاف گیتی فرا‌کهکشانی رو می‌بینیم! اینجا دوباره تاکید می‌کنم که «به نظر می‌آید». به این دلیل که ما تا حالا از کهکشان خارج نشده‌ایم و ندیدیم که  گیتی از دید یک ناظری که در فضای بین‌کهکشانی قرار دارد چه شکلی است! متاسفانه نسبت به عمر گیتی مشاهدات ما هم بسیار بازه‌ی زمانی کمی را پوشش می‌دهد (کمتر از ۱۰۰ سال از عمر ۱۳ میلیارد سالی گیتی) و تا آینده‌ای که می‌توانیم پیش‌بینی کنیم، تنها می‌توانیم از حوالی زمین به دیدن و شناخت گیتی بنشینیم! پس تا جایی که مدل‌های امروز با داده‌های بسیار محدودمان به ما می‌گویند «ماده‌ی تاریک» هیچ واکنش الکترومغناطیسی با «ماده‌ی معمولی» ندارد یا اگر دارد بسیار بسیار ضعیف است.

پس فعلاً  تنها برهمکنشی که برای ماده‌ی تاریک تعریف کرده‌ایم گرانش آن است. از آنجایی که طبق مدل‌‌های امروز ماده تاریک بیشتر جرم «ماده» رو در گیتی تشکیل می‌دهد. پس هر جایی که ما تراکم ماده تاریک داریم «ماده‌ی معمولی» هم (به خاطر نیروی گرانشی ماده‌ی تاریک) به ماده‌ی تاریک خواهد «چسبید» یا به زبان دقیق‌تر به سمت آن جذب خواهد شد.

بذارید در نهایت بگم که حتی آن‌هایی که وجود ماده‌ی تاریک را  قبول کردند امروز سر اینکه این ماده‌ی تاریک «سرد» هست یا «گرم» با هم مشکل دارند! در مقیاس‌های بزرگ ماده‌ی تاریک سرد به نظر بهتر می‌تواند مشاهدات را توضیح بدهد و در مقیاس‌های کوچک ماده‌ی تاریک گرم‌تر! بعضی‌هاشان هم برای اینکه میانه‌رو تر هستند و می‌خواهند از خوبی‌های هر دو مدل استفاده کنند پیشنهاد ماده‌ی تاریک «ولرم»‌ رو دادند! تفاوت اینها دقیقاً سر همین ماهیت «چسبیدن» ماده‌ی تاریک به «ماده‌ی معمولی» هست. هر کسی بتواند جواب این سوال که شما مطرح کردید رو پیدا کنه جایزه نوبل که هیچی! اسمش میره کنار ارسطو و گالیله و کپلر و نیوتن و احتمالاً باعث خواهد شد نظریه‌پرداز‌ها کل نظریه‌ی استاندارد ذرات بنیادین و کیهان‌شناسی رو از اول بنویسند! ببینیم این اتفاق اصلاً خواهد افتاد؟ یا اگر اتفاق خواهد افتاد کی اتفاق می‌افتد؟ ۲۰ سال دیگه؟ ۵۰ سال دیگه؟‌ یا نکنه یک دفعه بشریت مجبور بشود دوباره  ۲۰۰۰ سال صبر کنه (پانویس ۱)! من که دارم خودم برای پاسخ به این پرسش تلاش می کنم. اگر برای شما هم این پرسش مهمه بیایید کمک.

 

–——————

پانویس ۱: بعد از خواندن بخش اول مقاله منظورم را از واژه دوباره خواهید فهمید. منظورم مدل فلک‌های تدویر است که بشر برای حدود دو هزار سال به عنوان مدل اصلی گیتی فرض می کرد اما در نهایت اشتباه بودند.

  • مهدي

    یاد فیلم ترومن افتادم.

  • مهدي

    آیا شکل کهکشان وقتی ۳۶۰ درجه به دور هسته میگردد متفاوت می شود؟  سرعت حرکت اجزاء کهکشان دقیقا چگونه حضور گرانشی ماده تاریک را در مشاهدات توضیح میدهد؟

    • محمد حسین

      در واقع مشاهده می شه که دور یک مدار سرعت چرخش جسمی به دور یک ستاره یا مرکز مدار بیشتر یا کمتر است این به خاطر جرم ماده ی تاریک هست از اینجا به ماده ی تاریک پی بردند.

  • از اینکه این متن شما رو به یاد فیلم ترومن انداخت خوشحالم، قیلم قشنگی بود! به نظر من وضعیت ما هم در علم دقیقا همین هست. فقط با این تفاوت که ما (بشریت) همزمان و به صورت عموما نا خودآگاه هم کریستاف هستیم (برای شناختمان از دنیا نظم یا مدل خلق می کنیم) و هم ترومن (در این مدل های خود ساخته زندگی می کنیم و یک تعدادیمون می خوان ازش بزنن بیرون، به عنوان مثال گالیله)!

    سوال: آیا شکل کهکشان وقتی ۳۶۰ درجه به دور هسته میگردد متفاوت می شود؟
    بستگی داره! اوایل عمر کهکشان و در مواقعی که با کهکشانی دیگر ترکیب می شود بله! تفاوت می کند. اما اگر کهکشان در یک حالت پایستار باشد نباید تغییر چندانی بکند. اما در نظر داشته باشید که ما کمتر از ۱۰۰ سال است که اساسا فهمیدیم کهکشان وجود دارد! مدل هایمان هم به ما میگن که مثلا در مورد کهکشان خودمون حدود ۲۵۰ میلیون سال نیاز هست تا کهکشانمان یک دور به دور خودش بزند. پس ما تا حالا جواب سوال شما را «ندیده ایم» فقط می تونیم بگیم که اگر مدل هایمان درست باشد و کهکشان در حال ترکیب با کهکشانی دیگر و یا در حال تشکیل نباشد، «وقتی ۳۶۰ درجه به دور هسته میگردد» تفاوت چندانی نمی کند.

    در مورد اینکه حرکت اجزاء کهکشان چطور گرانش درون کهکشان را نشان می دهد:
    با مشاهداتمون از ستاره های موجود در راه شیری با دقت نسبتا خوبی می دونیم که تقریبا چند تا ستاره در بخش های مختلف کهکشان وجود دارند. پس مثلا می دانیم که در فلان فاصله از مرکز کهکشان تقریبا چند ستاره وجود دارد. با یک تقریبی هم می دونیم که مجموع جرم این ستاره ها چه قدر است. پس می تونیم بفهمیم که برای هر فاصله از مرکز کهکشان، چه مقدار جرم به صورت ستاره وجود دارد. با مکانیک نیوتنی خیلی راحت می توان به این نتیجه رسید که:‌ هر چه جرم داخلی یک مدار بیشتر باشه، سرعت حرکت یک جرم کوجک در یک مدار هم باید بیشتر بشه. ما که می دونیم تقریبا چه قدر جرم در ستاره های داخل یک مدار وجود داره پس می تونیم بر اساس همان قانون ساده بگوییم سرعت چرخش ستاره ها در یک مدار حول مرکز کهکشان باید چه قدر باشه. وقتی معادله رو حل می کنیم، می بینیم که جرم ستارگان به تنهایی به هیچ وجه سرعت به ظاهر خیلی زیادی که ما از ستاره های دور و برمون می بینیم رو توجیه نمی کنه! به خاطر همین هست که من تاکید می کنم که ما ماده تاریک رو «خلق» کردیم! چون فقط با در نظر گرفتن ستاره ها و گاز های میان ستاره ای نمی توان سرعت زیادی که در ستاره ها می بینیم رو توضیح بدیم. ممکن است که قوانین دینامیکی ما مشکل داشته باشند. از اون طرف ممکن است تقریب های ما در مورد تعداد و جرم ستاره های موجود مشکل داشته باشند! ممکن هم هست که ماده تاریک وجود داشته باشه. ما نمی دانیم! تنها چیزی که می دانیم این است که یک بخش از دانش و مشاهدات ما مشکل دارد. نمی دانیم کدام.

    • مهدی

      سلام
      واقعا از نوشته هاتون لذت میبرم
      خیلی منتظر بخش دوم مقاله و البته سومش هستم،
      در مورد تقریبی که گفتین این تقریب باید چقدر بزرگ بشه تا احتیاجی به ماده تاریک نباشه؟
      کلمه به نظر میاد چقدر با واقعیت میتونه فاصله داشته باشه؟

      • اول از همه به خاطر دیر جواب دادن ببخشید! متاسفانه من هیچ پیغامی بعد از گذاشتن یک کامنت نمی گیرم که همان لحظه جواب بدم. از مدیران سایت خواهش می کنم که هر وقت زیر یک مقاله کامنت گذاشته شد حداقل به نویسنده خبر بدهند که بتوان زود جواب داد.

        باید از طرف محمدرضا و خودم به خاطر دیر شدن بخش دوم و سوم مقاله معذرت خواهی بکنم! راستش چون این موضوع خیلی بنیادنی در فلسفه و تاریخ علم و همچنین تاریخ و فلسفه نجوم به طور خاص است محمدرضا و من تصمیم گرفتیم خیلی بنیادین به این موضوع بپردازیم. الان داریم روی یک مقاله به عنوان «نجوم چیست» کار می کنیم. اون که در اومد می تونیم راحت به بخش دوم و سوم مقاله اول بپردازیم: به طور خلاصه، از بعد روش شناسی، نجوم خیلی با فیزیک تفاوت داره: یک فیزیکدان آزمایشگر هست اما یک اخترشناس یک مشاهده گر. درک نکردن این تفاوت خیلی می تونه برای تفسیر هایی که از مخلوط کردن نتایج نجومی و نتایج فیزیکی با هم می کنیم تاثیر مخربی داشته باشه. فعلا تا وسط های اون مقاله رفتیم. به زودی می تونید روی سایت ببینیدش.

        این تقریب الان حدود ۱۰ برابر هست، یعنی باید نسبت ماده تاریک داخل یک کهکشان بزرگ مثل کهکشان ما به نسبت ماده غیرتاریک حدود ۱۰ برابر باشه. همونطوری که می بینید معادلات با مشاهدات خیلی اختلاف دارند (تقریبا ۱۰ برابر)!!! به خاطر همین هست خیلی ها (که فقط با نتایج نهایی کار دارند) به وجود ماده تاریک ایمان پیدا کرده اند، و گرنه مجبور خواهند شد در یک رشته دیگر ادامه بدهند.

        منظورتون رو از «کلمه به نظر میاد چقدر با واقعیت میتونه فاصله داشته باشه؟» نفهمیدم. اگه منظورتون اون تقریب باشه. راستش نمی دونم! دانش مشاهداتی ما هنوز بسیار ضعیف هست برای این قضیه. در اون مقاله «نجوم چیست» حسابی به این موضوع «واقعیت» که شما مطرح کردید خواهم پرداخت. اما بذارید خلاصه بگم: برای اینکه کارمون راحت تر باشه بهتر اصلا وجود «واقعیت» رو فرض نکینم ;-). به قول لاپلاس: نیازی به این فرض نداریم! در اون مقاله مفصل به این موضوع خواهیم پرداخت.

        • مهدی

          ممنون آقای اخلاقی برای وقتی که میذارین،از محمد رضا هم تشکر میکنم
           منظورم از “کلمه به نظر میاد چقدر با واقعیت میتونه فاصله داشته باشه؟” این هستش که هر چیزی که میبینیم همون واقعیت هستش؟این احتمال رو نمیشه داد که مثلا ستاره هایی که تو فاصله دورتر از مرکز کهکشان باشن سرعت کمتری نسبت به مشاهدات داشته باشن و فقط حرکتشون سریعتر از اونی که هست به نظر بیان؟
          امیدوارم منظورمو خوب رسونده باشم

  • داشتم برای نوشتن مقاله «نجوم چیست» کتاب «ارغنون جدید» فرانسیس بکین رو می خوندم که به جمله زیر بخورد کردم. خیلی من رو به یاد کامنت اول این بحث انداخت: «یاد فیلم ترومن افتادم». برای آنهایی که نمی دانند، فرانسیس بکین کسی بود که «روش علمی» را تعریف کرد و خیلی از فیلسوفان و متفکران اون رو به عنوان پدر «تجربه گرایی» می دانند. در کتاب ارغنون جدید سعی کرده روش استدلال های استنتاجی (که بنیان کتاب ارغنون ارسطو بودند) را نقد کنه و یک روش جدید برای فکر کردن به ما بده. ما امروز اسم این روش رو می ذاریم روش علمی که بنیان کار تمام دانشمندان در تمام علوم تجربی است. اگر علاقه مند بودید حتما مقاله های ویکیپدیا در مورد کلمات کلیدی که گفتم رو بخونید.

    جمله ای که ازش حرف زدم این هست:
    In my judgment all the received systems are but so many stage plays, representing worlds of their own creation after an unreal and scenic fashion. Nor is it only of the systems now in vogue, or only of the ancient sects and philosophies, that I speak; for many more plays of the same kind may yet be composed and in like artificial manner set forth.

    یک ترجمه خیلی سریع این هست. این اصلا یک ترجمه دقیق و ادبی درستی نیست. شدیدا توصیه می کنم انگلیسی را خوب فرا بگیرید تا بتوانید این نوع متون اصیل رو بدون واسطه بخوانید. البته در مورد این متن خاص باید بگم که خود بیکن با وجودی که انگلیسی بود، کتابش رو به لاتین (که در آن زمان زبان علمی به حساب می آمد) و متن بالا ترجمه ای متن اصلی لاتین است که در سال ۱۸۶۳ انجام شده.

    به قضاوت من تمام سیستم های بده دست آمده مثل نمایش های تیاتر هستند که در حال به نمایش گذاشتن دنیاهای مخلوق خودشان هستند. این گفته فقط در مورد سیستم هایی که امروزه رایج هستند یا سیستم های فلسفه های باستانی نیست. به این دلیل که احتمالا خیلی سیستم های اینچنینی در آینده خواهند آمد.

  • سلام مهدی. زیر سوالت گزینه پاسخ نبود به خاطر همین مجبور شدم به صورت یک کامنت جدا جواب بدم. این سوالی که پرسیدی: «هر چیزی که میبینیم همون واقعیت هستش؟» یک سوال فلسفی و متافیزیکی است! جواب این سوال را متاسفانه فقط با یک سوال دیگه می شه داد:‌ «واقعیت» رو چی تعریف می کنی؟‌ در فلسفه های مختلف و ادیان مختلف جواب های متفاوتی برای این سوال وجود دارد. در علوم تجربی، تنها چیزی که ما می تونیم بهش اتکا کنیم آزمایش و مشاهده، یا به زبان ساده تجربه است. اما متاسفانه آزمایش و مشاهدات نیز آن استحکامی که شاید انتظار داشته باشیم را ندارند. به خاطر همین هر روز داریم ابزار های بهتری می سازیم تا ایرادهای قبلی را کمتر کنند. در نتیجه هر چه مشاهدات و آزمایش ها بهتر بشود نتایجی که ما از آنها می گیریم نیز بهتر می شود و در نتیجه، تا زمانی که اتکای ما فقط به تجربه باشد (در علم تجربی)، هیچ وقت نمی توانیم آن قطعیتی که به نظر میات سوالت به دنبالش هست رو بدست بیاریم.

    به همین خاطر احتمال دیده شدن آن گزینه دیگه‌ای که گفتی صفر نیست. البته در مورد حرکت ستارگان نزدیک روش های اندازه گیری فاصله بسیار متنوع و متفاوت است به خاطر همین خطای کمی توی اون اندازه گیری ها وجود داره. اما هر چه دورتر می شوید خطا هم بالاتر می رود.

    راستی از مدیران سایت هم ممنونم که سیستم اطلاع رسانی بعد از گذاشتن یک کامنت را در سایت فعال کردند.

  • زانیار

    تشکر از مطالبتون
    چند سوالی برام پیش اومده که هر چی بهش فکر می کنم نمی تونم بفهمم که چی میگه مطالعه زیاد کردم ولی بازم کفایت نکرد
    ۱- منظور از اینکه کیهان در حال گسترشه چیه؟منظور از اجرامه؟
    ۲- رابطه نسبیت انیشتین درباره فضا و زمان که میگه سه بعد فضایی و یک بعد زمانی داریم چیه؟منظور اینه که فضا و زمان یکی هستند یا معقوله جدا از هم می باشند فضا همان زمان و زمان نیز همان فضاست.
    لطفا با گفته های خودتون مرا قانع کنید.
    با تشکر

تمام حقوق این سایت برای © 2017 پرسش و پاسخ محفوظ است. خدمتی از کانون نگارش و ترجمه کانوت
قدرت گرفته از وردپرس فارسی