ماده تاریک؛ فرضیه‌ای که کامل نیست اما جایگزین هم ندارد

فرضیه‌ای که پیرامون "ماده تاریک" تعریف شده است، با اینکه کامل نیست، اما جایگزین‌های آن نیز بدتر هستند و هیچکدام نمی‌توانند این ماده اسرارآمیز را به خوبی شرح دهند.

کد خبر: ۴۸۸۶۱۰

تاریخ: ۱۷ مرداد ۱۴۰۱ - ۰۰:۴۲

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از اسپیس، ماده تاریک یک ذره فرضی است که بخش عمده‌ای از جرم جهان را تشکیل می‌دهد. این درست است که فرضیه ماده تاریک دارای کاستی‌هایی است و ما هنوز هیچ ذره‌ای از ماده تاریک را پیدا نکرده‌ایم، اما حقیقت این است که فرضیه‌های جایگزین برای آن بسیار بدتر از فرضیه‌ای هستند که در حال حاضر مورد استناد قرار می‌گیرد.

جهان پر از اسرار غیرقابل توضیح است و این همان چیزی است که ستاره‌شناسان و اخترفیزیکدانان را با شور و اشتیاق در این حوزه نگه می‌دارد. بسیاری از این اسرار، حول موضوع گرانش هستند. همانطور که ستاره‌ها را به دور مراکز کهکشان‌هایشان می‌نگریم، متوجه می‌شویم که با توجه به مقدار ماده مرئی که می‌تواند آنها را با گرانش خود در آن مدارها نگه دارد، بسیار سریع حرکت می‌کنند.

کهکشان‌هایی که در اطراف خوشه‌های کهکشانی حرکت می‌کنند نیز با توجه به مقدار جرم قابل مشاهده در خوشه‌ها، خیلی سریع حرکت می‌کنند. همین خوشه‌ها نور پس‌زمینه را بسیار زیاد خم می‌کنند. حتی ساختارهای بزرگ در جهان ما نیز خیلی سریع و بدون منبع جرم اضافی پدید آمده‌اند.

بهترین فرضیه‌ای که دانشمندان برای توضیح همه این مشاهدات متفاوت دارند، این است که نوع جدیدی از ذره به نام "ماده تاریک" وجود دارد که در کیهان ساکن است. این ذره همانطور که از نامش پیداست، تقریباً به طور کامل نامرئی است و اگر با ماده معمولی برهمکنش داشته باشد، به ندرت خواهد بود. این ایده آنقدرها هم که به نظر می‌رسد دور از ذهن نیست. نوترینوها ذراتی هستند که دقیقاً این خصوصیات را دارند. با اینکه آنها جرم کافی برای توضیح ماده تاریک را ندارند، اما نشان می‌دهند که چنین ذراتی می‌توانند وجود داشته باشند.

اما فرضیه ماده تاریک، کامل نیست. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از رشد کهکشان‌ها نشان می‌دهد که کهکشان‌های تحت سلطه ماده تاریک باید چگالی فوق‌العاده بالایی در مرکز خود داشته باشند. مشاهدات کهکشان‌های واقعی چگالی بالاتری را در هسته‌هایشان نشان می‌دهد، اما به اندازه‌ای که آن شبیه‌سازی‌ها پیش‌بینی می‌کردند، نیست. همچنین شبیه‌سازی‌های ماده تاریک در حال تکامل در کیهان پیش‌بینی می‌کند که هر کهکشانی باید صدها قمر کوچک‌تر داشته باشد، در حالی که مشاهدات به طور مداوم کوتاه هستند.

فرضیه MOND

با توجه به اینکه فرضیه ماده تاریک، کامل نیست و ما هیچ مدرک مستقیمی برای وجود این ذرات نداریم، این موضوع، ارزش بررسی گزینه‌های دیگر را دارد.

یکی از این گزینه‌ها در دهه ۱۹۷۰ در کنار ایده اصلی ماده تاریک معرفی شد، زمانی که یک ستاره‌شناس به نام "ورا روبین" برای اولین بار موضوع حرکت پرسرعت ستارگان در کهکشان‌ها را کشف کرد. اما به جای افزودن یک عنصر جدید به کیهان، با تغییر نحوه عملکرد گرانش در مقیاس کهکشانی، فرضیه‌اش را شکل داد. این فرضیه "MOND" نامیده می‌شود که مخفف عبارتی به معنای "دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده" است. این نام برای خانواده کلی فرضیه‌های برخاسته از این مفهوم نیز به کار می‌رود.

با توجه به فرضیه MOND، گرانش تعریف شده توسط نیوتن در مقیاس‌های سیاره‌ای یا منظومه خورشیدی، به خوبی کار می‌کند، البته به جز جایی که به محاسبات دقیق گرانش نیاز دارید که توسط نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین ارائه شده است. در مقیاس بزرگ، فرمول F = ma رایجی که با آن آشنا هستیم، کاملاً اعمال نمی‌شود و رابطه بین نیرو و شتاب از قانون متفاوتی پیروی می‌کند.

با فرضیه MOND، نیازی به تعریف یک ذره جدید برای توضیح مشاهدات وجود ندارد و فقط یک تغییر جزئی در نیروی گرانش، آن را توضیح می‌دهد و از آنجایی که تغییر گرانش تحت MOND به صراحت برای توضیح حرکت ستارگان در کهکشان‌ها طراحی شده است، طبیعتا این کار را به خوبی انجام می‌دهد. این نظریه همچنین از تولید بیش از حد قمرها و هسته‌های کهکشانی پراز ماده تاریک رنج نمی‌برد.

قهرمان معیوب

اما فرضیه MOND تا کامل بودن فاصله زیادی دارد. تغییراتی که در گرانش برای توضیح حرکات ستارگان در این فرضیه انجام شده است، در توضیح حرکت کهکشان‌ها در خوشه‌ها و همگرایی نور پس‌زمینه مشکل دارد و یک فرضیه کاملاً نسبیتی نیست. این در حالی است که همه نظریه‌های مدرن فیزیک باید با قانون نسبیت خاص سازگار باشند.

یک به‌روزرسانی از MOND موسوم به "TeVeS" می‌تواند با نسبیت عام سازگاری کند. مدل‌های مبتنی بر گرانش اصلاح‌شده در توضیح رشد ساختار در جهان، ویژگی‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و موارد دیگر که در همه آنها فرضیه "ماده تاریک" به خوبی راهگشا است، مشکل قابل ‌توجهی دارند.

هیچ فرضیه‌ای از خانواده MOND وجود ندارد که بتواند تک‌تک مشاهدات را در مورد ماده تاریک توضیح دهد. همه آنها حداقل در یک آزمون مردود می‌شوند. در حالی که MOND ممکن است در مورد منحنی‌های چرخش کهکشان‌ها دقیق باشد، اما مشاهدات کافی وجود دارد که به ما می‌گوید هنوز برای وجود در کیهان به ماده تاریک نیاز دارند.

بنابراین همانطور که گفته شد، فرضیه ماده تاریک، کامل نیست، اما باز هم هیچ فرضیه علمی دیگری وجود ندارد که از آن بهتر باشد.

دانشمندان هنگام ارزیابی فرضیه‌های رقیب، نمی‌توانند با دل و جرات پیش بروند یا فرضیه‌ای را انتخاب کنند که از فرضیه ماده تاریک، جالب‌تر یا ساده‌تر به نظر برسد.

دانشمندان می‌گویند ما باید شواهد را دنبال کنیم تا ببینیم ما را به کجا می‌برد. تقریباً در ۵۰ سال گذشته، هیچ‌کس نظریه‌ای شبیه به MOND ارائه نکرده است که بتواند اطلاعات فراوانی را که در مورد جهان داریم، توضیح دهد. این باعث نمی‌شود که MOND اشتباه باشد، اما آن را تبدیل به جایگزین بسیار ضعیف‌تری نسبت به فرضیه ماده تاریک می‌کند.