خدمات شبکه و پشتیبانی شبکه

کشف جدید دانشمندان درباره نظریه ماده تاریک با استفاده از تلسکوپ هابل

دی ۲۱, ۱۳۹۸/در تلسکوپ هابل, خبر, ماده تاریک, گوناگون /توسط ادمین

دانشمندان با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل و نظریه نسبیت عام اینشتین موفق به کشف کوچکترین توده ماده تاریک‌ای که تابه‌حال شناسایی شده است، شدند. جرم این توده، ۱۰۰ هزار برابر کمتر از جرم ماده تاریک کهکشان راه شیری است. این توده‌ نسبتا کوچک ماده تاریک، همچنین تطابق خوبی با یکی از پیشرفته‌ترین نظریات ماده تاریک یعنی ماده تاریک سرد دارد.

ما درواقع نمی‌دانیم که ماده تاریک چیست. ما نمی‌توانیم آن را به‌طور مستقیم شناسایی کنیم. چیزی که ما می‌دانیم این است که اگر ما فیزیک کنونی را بر آنچه که مستقیما می‌توانیم ببینیم اعمال کنیم، کیهان آنطور که باید، عمل نخواهد کرد. برای مثال، ستارگان موجود در لبه کهکشان‌ها تحت تاثیر این ماده ناشناخته، سریع‌تر از آنچه که باید، حرکت می‌کنند.

ما این جرم را ماده تاریک می‌نامیم و چندین فرضیه درباه انواع آن وجود دارد که عبارتند از ماده تاریک داغ (داغ بدین معنی که ذرات داخل آن با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند) و ماده تاریک سرد (سرد به این معنی که ذرات داخل آن کندتر از سرعت‌های نسبیتی حرکت می‌کنند).

اکثر شواهد مشاهداتی و مدل‌های فعلی، به نفع ماده تاریک سرد هستند، اما اثبات این موضوع چندان راحت نیست. یکی از چیزهایی که می‌تواند سرنخ‌هایی را در اختیار ما قرار دهد، شناسایی توده‌های کوچک ماده تاریک است.

ذرات ماده تاریک داغ، بسیار سریع‌تر از آن هستند که اجازه تشکیل توده‌های کوچک‌تر را بدهند. اما اگر ماده تاریک با سرعت پایینی حرکت می‌کند (نظریه ماده تاریک سرد)، بنابراین آن توده‌های کوچک ماده تاریک باید جایی در کیهان وجود داشته باشند.

با این‌حال، یافتن آن‌ها به این راحتی نیست. همانطور که در بالا گفتیم ما قادر به مشاهده مستقیم ماده تاریک نیستیم. اما ستاره‌شناسان حضور آن را می‌توانند براساس اثری گرانشی‌ که بر روی ماده قابل‌رویت اطرافش می‌گذارد، حدس بزنند. برای مثال، حرکت سریع ستارگان در لبه کهکشان‌ها نشان‌دهنده وجود ماده پرجرمی در آن حوالی است.

چیز دیگری که گرانش بر روی آن اثر می‌گذارد، نور است. اگر ماده پرجرمی مانند یک خوشه کهکشانی، بین ما و یک منبع نور قرار داشته باشد، اثر گرانشی آن باعث خمیده شدن فضازمان و در نتیجه خم شدن مسیر نور می‌شود؛ اتفاقی که باعث تولید چندین تصویر از منبع نور می‌شود (تصویر زیر).

به این پدیده، همگرایی گرانشی (gravitational lensing) گفته می‌شود که توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده است. در موارد نادر، اجرام ایجادکننده این پدیده طوری نسبت به هم قرار می‌گیرند که چهار تصویر در اطراف جرم همگراکننده تولید می‌شود. به این پدیده، صلیب اینشتین می‌گویند.

حالا سوال اینجاست که این موضوع چه ربطی می‌تواند به ماده تاریک سرد داشته باشد؟ باید بگوییم که اثر گرانشی توده ماده تاریک سرد، باید در تفاوت‌های موجود بین هر کدام از تصاویر منبع نور پس‌زمینه که در اطراف لنز (جرم همگراکننده پیش‌زمینه) خمیده شده‌اند، قابل مشاهده باشد.

برای کشف این اثر گرانشی، تیم تحقیق از تلسکوپ فضایی هابل برای مطالعه هشت صلیب اینشتین که در اثر خم شدن نور تعدادی از کهکشان‌های بسیار درخشان، توسط گرانش کهکشان‌های عظیم موجود در پیش‌زمینه (لنز) ایجاد شده بود، استفاده کردند.

Daniel Gilman، فیزیکدان از دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: این کهکشان‌های عظیم، درست مانند یک ذره‌بین بزرگ عمل می‌کنند و توده‌های کوچک ماده تاریک می‌توانند به‌عنوان ترک‌های کوچکی بر روی این ذره‌بین رفتار کرده و باعث تغییر روشنایی و موقعیت تصاویر صلیب‌ها شوند.

تیم تحقیق ابتدا چگونگی خم شدن نور کهکشان‌های بسیار درخشان پس‌زمینه را توسط لنز پیش‌زمینه اندازه‌گیری کردند. آن‌ها سپس روشنایی و موقعیت ظاهری هر کدام از صلیب‌ها را با پیش‌بینی‌هایی نظریه نسبیت عام اینشتین (بدون حضور ماده تاریک) مقایسه کردند.

انجام این مقایسه‌ها باعث شد تا دانشمندان پی به وجود توده‌های ماده تاریکی ببرند که تغییراتی را در روشنایی و موقعیت صلیب‌ها ایجاد کرده بودند. جرم این توده‌ها بین ۱۰ هزار تا ۱۰۰ هزار برابر کمتر از جرم ماده تاریک کهکشان راه شیری بود.

البته این یافته‌ها، وجود ماده تاریک داغ را در آن محل رد نمی‌کردند، اما شواهد به‌دست‌آمده، بیشتر به نفع وجود ماده تاریک سرد بودند.

Anna Nierenberg، ستاره‌شناس از آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا می‌گوید: دانشمندان قبلا تست‌های مشاهداتی زیادی را در مورد نظریات ماده تاریک انجام داده‌اند، اما کار ما محکم‌ترین مدرکی است که تا به امروز درباره وجود توده‌های کوچک ماده تاریک سرد ارایه شده است. ما حالا با ترکیب جدیدترین پیش‌بینی‌های نظری، ابزارهای آماری و مشاهدات جدید تلسکوب هابل، شواهد بسیار قوی‌تری در اختیار داریم.

این تحقیق در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society چاپ شده است.

نوشته کشف جدید دانشمندان درباره نظریه ماده تاریک با استفاده از تلسکوپ هابل اولین بار در اخبار تکنولوژی و فناوری پدیدار شد.

ماده تاریک چیست ؛ سر به مهر‌ترین راز دنیای اخترفیزیک

آذر ۱۰, ۱۳۹۶/در اخبار نجوم, انرژی تاریک, ماده تاریک, نجوم /توسط ادمین

ماده تاریک یا Dark Matter چیست؟ تقریبا ۸۰ درصد از جرم کائنات از ماده‌ای ساخته شده که دانشمندان نمی‌توانند به طور مستقیم آن را مشاهده کنند. به این ماده ناشناخته و عجیب ماده تاریک اطلاق می‌شود.

ماده‌ تاریک یکی از سر به مهر‌ترین راز‌های کیهان پیرامون ما به شمار می‌رود و دانشمندان سال‌هاست در تلاش‌اند تا به مفهوم واقعی آن پی ببرند. اما ما چندان هم در مطالعات مربوط به این ماده سرگردان نیستیم. ماده تاریک هیچگونه نور و یا انرژی از خود منتشر نمی‌کند. با این تفاسیر چرا دانشمندان معتقدند که ماده غالب در سراسر جهان است؟

مطالعه بر روی سایر کهکشان‌ها در دهه ۱۹۵۰ این موضوع را روشن کرد که بخش عمده موادی که کائنات را تشکیل داده با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند. از آن زمان تاکنون بسیاری به حمایت از وجود ماده تاریک پرداخته‌اند، اما تاکنون عدله مستقیم و محکمی مبنی بر وجود آنها ارائه نشده است. با این همه صحبت از آن در سال‌های اخیر افزایش پیدا کرده است.

تاریخچه ماده تاریک

بازگردیم به آوریل ۱۹۳۰، جایی که “یان اورت” اختر شناس هلندی با بهره‌گیری از اثر دوپلر (در فیزیک به تغییر بسامد ظاهری یک موج بدلیل تغییر مکان فرستنده یا گیرنده اثر دوپلر اطلاق می‌شود) به سنجش سرعت ستارگان موجود در کهکشان راه شیری مبادرت ورزید. اورت سرعت ستارگان را بسیار بیشتر از چیزی که تصور می‌کرد، محاسبه نمود. همچنین نتایج به دست آمده توسط او از نیروی گرانشی حکایت می‌کرد که با مقدار جرم موجود در جهان که به طرق مختلف شناسایی شده بود، مطابقت نداشت.

عددی که اورت برای سرعت ستارگان محاسبه کرده بود آنچنان زیاد بود که حتی امکان گریز ستارگان از کهکشان راه شیری نیز وجود داشت، اما در عمل چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. اورت نتیجه گرفت که می‌بایستی ماده‌ای غیر قابل مشاهده و با اثرات گرانشی قوی وجود داشته باشد. به این ترتیب لزوم وجود ماده‌ای ناشناخته با کشش گرانشی اثبات شد.

معمای چنین ماده ناشناخته‌ای با مطالعات “فریتز زویکی” بر روی خوشه کهکشانی گیسو (Com)، سخت‌تر هم شد. مطالعات زویکی مقیاس وسیع‌تر و زاویه دید بازتری نسبت به تحقیقات اورت داشتند. زویکی با تمرکز بر روی سرعت حرکت کهکشان‌ها به همان نتایج مشاهدات اورت رسید.

همچنین اخترفیزیکدانان تئوری، به کمک قانون سوم کپلر توانستند جرم کلی کهکشان راه شیری را به میزان یک تریلیون برابر جرم خورشید محاسبه کنند. از طرفی دیگر همین جرم با مشاهدات عینی از اجرام کهکشان راه شیری در تما طول موج‌های مختلف قابل بررسی توسط انسان، حدود ۲۰۰ تا ۶۰۰ میلیارد برابر جرم خورشید برآورد شد. در واقع جرم رصدی به دست آمده از کهکشان راه شیری یک ششم جرم تئوری برآورد شده بود.

نقشه‌ای از مقدار ماده موجود در جهان که بخش عمده‌ای از آن را ماده تاریک تشکیل می‌دهد. بخش‌های آبی رنگ، ماده تاریک و قسمت‌های خاکستری موادی است که شناسایی شده‌اند. (اعتبار: سازمان فصایی اروپا/ ناسا/ آزمایشگاه JPL)

طبق تئوری انفجار بزرگ یا بیگ بنگ و نیز قوانین نیوتن-کپلر انتظارات بر این بود که هر چه یک ستاره به مرکز یک کهکشان نزدیک تر باشد، سرعت بیشتری دارد. همچنین اگر ستاره‌ای چنان از مرکز یک کهکشان فاصله بگیرد که از محدوده‌ی گرانش آن خارج شود، دچار کاهش سرعت در حرکت خواهد شد.

اما مطالعات بعدی در که در دهه ۱۹۷۰ انجام شد، ثابت کرد که سرعت حرکت ستارگان از الگوی قوانین نیوتن-کپلر پیروی نمی‌کند. به عبارت دیگر سرعت حرکت ستارگان در تمامی نقاط جهان ثابت است. به این ترتیب تناقضی دیگر آشکار و زمینه برای کشف ماده‌ای برای پر کردن این خلا گرانشی فراهم شد.

همه‌ی این مطالعات و تجزیه و تحلیل‌ها، احتمال وجود ماده تاریک را هر روز بیشتر از پیش به عدد یک نزدیک‌ترمی‌کرد.

ماده تاریک چیست؟

پیتر ون دوکوم (Pieter van Dokkum)، محقق دانشگاه یال (Yale) در بیانیه‌ای عنوان کرده است:

حرکات ستارگان، روشنگر این موضوع است که ما در مورد چه مقداری از ماده صحبت می‌کنیم. این حرکات، شکل آنها را مشخص نمی‌کند، بلکه تنها شاهدی بر وجود آنها هستند.

آقای ون دوکوم رهبری تیمی از محققان را بر عهده دارد که موفق به کشف کهکشانی به نام سنجاقک ۴۴ (Dragonfly 44) شده‌اند. به گفته آنها این کهکشان تماما از ماده تاریک ساخته شده است.

دارک مَتِر شکلی نامانوس از ماده است و در اخترفیزیک به توضیح پدیده‌هایی مانند انفجار بزرگ می‌پردازد که به مقدار زیادی ماده نیاز دارند که از جرم موجود در جهان نیز فراتر می‌رود. تاکنون شواهدی مبنی بر رصد این ماده ارائه نشده است، اثرات قابل توجه‌ای از خود بروز نمی‌دهد، هیچ نوع موج الکترومغناطیسی منتشر شده و یا شرکت در برهم‌کنش با سایر مواد معمول در کائنات در مورد ماده تاریک دیده نمی‌شود.

ماده تاریک در کنار انرژی تاریک بیش از ۹۵ درصد جرم و انرژی موجود در جهان را تشکیل می‌دهند. به طور کلی وجود ماده تاریک را بوسیله اثرات گرانشی‌ آن بر روی مواد معمول و مرئی و نیز همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing) تابش پس‌زمینه کیهانی، می‌توان استدلال کرد.

بیشتر بخوانید: نظریه نسبیت عام انیشتین؛ همگرایی گرانشی چیست؟

ماده دخیل در ساختمان کائنات، تحت عنوان ماده باریونی شناخته می‌شود. در فیزیک مواد، مواد باریونی، مواد بسیار سنگینی هستند که شامل ذرات زیراتمی (الکترون، پروتون و نوترون) می‌شوند. احتمالا ماده تاریک حاصل اجتماعی از مواد باریونی و غیر باریونی است.

بر اساس مطالعات انجام شده، اگر ماده تاریک ۸۰ درصد جرم کائنات را تشکیل دهد، تمامی عناصر موجود می‌توانند در کنار یکدیگر به صورت پایدار حضور داشته باشند.

شناسایی این ماده گمشده می‌توانست حقیقتا به چالش بزرگی تبدیل شود. ماده‌ای با ساختاری منظم و مشتمل بر مواد باریونی. از جمله نامزد‌های بالقوه برای تصاحب عنوان ماده تاریک می‌توان به کوتوله‌های قهوه‌ای کوچک، کوتوله‌های سفید و ستاره‌های نوترونی اشاره کرد.

در این میان سیاهچاله‌های کلان جرم نیز گزینه‌های کاملا منحصر به فردی هستند؛ این اجرام اولا به سختی مشاهده می‌شوند، در ثانی غلبه آنها بر کائنات و پراکنش‌شان، آنقدر نیست که بتواند دانشمندان را متقاعد کند. به علاوه ماده تاریک بسیار عجیب‌تر و نامانوس‌تر است.

بیشتر بخوانید: سیاهچاله چیست؟ توضیحی بر انواع سیاهچاله‌ها

بسیاری از دانشمندان معتقدند ماده تاریک باید مواد غیر باریونی را شامل بشود. ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPS) اصلی‌ترین گزینه، ده‌ها برابر بیشتر از پروتون جرم دارد؛ اما برهم‌کنش ضعیف آنها با مواد معمولی، شناسایی آنها را دشوار کرده است.

نوترانیلوس‌ها، ذرات فرضی و عظیمی که نسبت به نوترینو‌ها (ذرات بنیادی خنثی و بدون بار) آرام‌تر و سنگین‌تر هستند. با وجود اینکه هنوز این ذرات شناسایی نشده‌اند، اما از گزینه‌های اصلی برای حضور در ساختمان ماده تاریک هستند.

نوترینو‌های بی‌بار (Strile Neutrinos) با اینکه قادر به تشکیل مواد منظم نبوده، اما از دیگر نامزد‌ها هستند. نوترینو‌ها همواره در جریانی که از سمت خورشید ساطع می‌شود، حضور دارند؛ اما به دلیل آنکه با مواد معمولی برهم‌کنش نمی‌دهند از زمین و ساکنین آن گذر می‌کند.

سه نوع از نوترینو‌ها شناخته شده‌‌اند، اما یک نوع چهارم به نام نوترینو خنثی وجود دارد که به عنوان یکی از کاندیدا‌های هویت ماده تاریک نیز به شمار می‌رود. یک نوترینو خنثی می‌تواند به واسطه گرانش با ساختار‌های منظم برهم‌هکنش داشته باشد.

تایس دی‌یانگ (Tyce DeYoung)، استادیار فیزیک و ستاره‌شناسی از دانشگاه میشیگان، می‌گوید: “یکی از سوالات متداول این است که آیا الگویی واحد وجود دارد که در صورت شکسته شدن، گونه‌های مختلف نویترنو را تولید کند.”

لابراتوار ملی گرند ساسو ایتالیا (LNGS) طی بیانیه‌ای اعلام کرده است:

چندین اندازه‌گیری و محاسبه نجومی بر وجود ماده تاریک صحه گذاشته است. این سنجش‌ها را می‌توان مرهون تلاشی در سطح جهانی برای مشاهده مستقیم برهم‌کنش میان ذرات ماده تاریک با ماده‌ای معمولی دانست که توسط شناساگر‌هایی فوق‌العاده حساس صورت می‌گیرد. در مجموع> این مطالعات وجود ماده تاریک را تایید و پرده از جزئیات آن می‌گشاید. با این حال این برهم‌کنش‌ها چنان ضعیف هستند که امکان رصد را در نقطه‌ای مشخص بدلیل گریز دائمی این ذرات به حداقل می‌رساند. به همین دلیل دانشمندان مجبور هستند تا روز به روز حساسیت شناساگرها را افزایش دهند.

یک احتمال سوم نیز وجود دارد. قوانین گرانش تاکنون با موفقیت حرکات اجرام مختلف را تفسیر کرده‌ و این موضوع نشان دهنده ضرورت بازنگری در منظومه شمسی است.

ماده تاریک وجود دارد؟ پس چرا آن را نمی‌بینیم؟

اگر دانشمندان قادر به مشاهده ماده تاریک نیستند، پس از کجا می‌دانند که وجود دارد؟

دانشمندان بوسیله حرکات اجرام فضایی قادر به محاسبه جرمشان هستند. ستاره‌شناسان در دهه ۱۹۵۰، کهکشان‌های مارپیچی را مورد بررسی قرار می‌دادند و انتظار داشتند، سرعت حرکت مواد مرکزی کهکشان‌ها را نسبت به مواد موجود در لبه‌های خارجی بیشتر ببینند و در عوض، آنها در هر دو مطقه ستاره‌هایی را مشاهده کردند که با سرعت‌های یکسان در حال حرکت بودند.

این موضوع نشان می‌داد که هرچه جرم کهکشان‌ها بیشتر باشد، قابل مشاهده‌تر هستند. مطالعه گاز‌های موجود در کهکشان‌های بیضوی بر اهمیت وجود جرم در رویت اجرام تاکید می‌کند. نکته اینجاست، اگر جرمی که یک کهکشان را تشکیل می‌دهد به طور کلی توسط اندازه‌گیری‌های نجومی ما قابل مشاهده باشد، این کهکشان از بین خواهد رفت؛ چرا که مطالعات از ضرورت وجود جرمی دیگر برای حفظ کهکشان خبر می‌دهند.

تصاویر بالا که از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری حاصل شده است و در ۱۰ جولای ۲۰۱۲ منتشر منتشر شده‌اند. توده‌ای از ماده تاریک را در اطراف کهکشان راه شیری نشان می‌دهند. (اعتبار: STScI)

آلبرت انیشتین، فیزیکدان مشهور، ثابت کرده که اجرام بسیار بزرگ می‌توانند پرتو‌های نور را خم و منحرف کنند و به آنها این امکان را می‌دهد که مانند عدسی عمل کنند. با مطالعه نحوه انحراف در پرتو‌های نور توسط خوشه‌های کهکشانی، ستاره‌شناسان توانستند نقشه‌ای از ماده تاریک موجود در کائنات رسم کنند.

همه‌ این روش‌ها، دلایلی بسیار مستدلی ارائه می‌کند مبنی بر اینکه بخش عمده‌ای از مواد موجود در کائنات تا کنون مورد مشاهده قرار نگرفته‌اند. با اینکه ماده تاریک از بسیاری از جهت‌ها با مواد عادی متفاوت است، چندین آزمایش برای شناسایی مواد غیرعادی وجود دارد.

آزمایشی برای اثبات

طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS)، یک شناساگر دقیق ذرات است که در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) وجود دارد و از زمان نصب آن در سال ۲۰۱۱ تاکنون به فعالیت خود ادامه داده است. از آن زمان ، طیف سنج مغناطیسی آلفا که بیش از ۱۰۰میلیارد اشعه کیهانی که با شناساگر‌هایش برخورد کرده را ردیابی کرده است، توسط ساموئل تینگ (Samuel Ting)، دانشمند و برنده نوبل فیزیک در سال ۱۹۷۶ و از موسسه تکنولوژی دانشگاه ماساچوست، هدایت می‌شود.

پروفسور تینگ می‌گوید:

ما پوزیترون‌های -ذرات مثبتی هستند که به عنوان ضد ماده الکترون‌ها تلقی می‌شوند- زیادی را اندازه‌گیری کرده‌ایم، که بخش اضافی آن ممکن است حاصل ماده تاریک باشد. در حال حاضر، ما به داده‌های بیشتری نیاز داریم تا مطمئن شویم منشا پوزیترون‌ها ماده تاریک است و نه یک منبع اخترفیزیک ناشناخته. ما به چند سال دیگر زمان برای مطالعه نیاز داریم.

از اعماق کائنات به روی زمین بازگردیم، در زیر کوهی در کشور ایتالیا، شناساگری ۳۵۰۰ کیلوگرمی XENON1T از زنون مایع ساخته شده که به لابراتوار ملی گرند ساسو ایتالیا (LNGS) تعلق دارد. این شناساگر در جستجوی نشانه‌هایی از برهم‌کنش‌های صورت گرفته پس از برخودر بین ذرات WIMPS و اتم‌های زنون است. این آزمایشگاه چندی پیش نخستین نتایج خود را از آزمایش‌هایش منتشر کرد.

النا آپریله، سخنگوی این پروژه و پروفسور دانشگاه کلمبیا، در بیانه منتشر شده توسط لابراتوار ساسو گفته است:

با شروع پروژه XENON1T ، رقابت‌ها برای شناسایی ماده تاریک توسط شناساگر‌های بزرگ با پس زمینه فوق-پایین بر روی زمین، وارد فاز جدیدی شده است. ما مفتخر هستیم به لطف شناساگر قدرتمند خود، رقابت را پیشتازانه دنبال می‌کنیم و در خط مقدم آن حضور داریم.

آزمایش عظیم تشخیص زیرزمینی ماده تاریک به کمک زنون (LUX)، که در یک معدن طلا در داکوتای جنوبی انجام می‌شود، به جستجوی شواهدی از برهم‌‌کنش میان ذرات WIMPS و اتم‌های زنون است. تا به امروز این ابزار موفق به شناسایی این ماده مرموز نشده است.

چام گاگ، فیزیکدان دانشگاه کالج لندن و از همکاران پروژه LUX، در یک بیانیه اعلام کرده است:

این آزمایش می تواند با محدود کردن مدل‌هایی که برای ماده تاریک ارائه شده است، چشم‌اندازمان را نسبت به این زمینه تحقیقاتی تغییر دهد و شاید شاهد کشفیاتی باشیم که تا پیش از این ثبت نشده بودند.

رصدخانه نوترینو آیس‌کیوب (IceCube)، پروژه‌ای است که در زیر یخ‌های قطب جنوب انجام می‌شود و فعالیت‌اش در راستای کشف نوترینو‌های خنثی است. نوترینو‌های خنثی بدلیل داشتن برهم‌کنش با موادی که ساختار منظم دارند از گزینه‌های اصلی برای ماده تاریک به شمار می‌روند.

سایر ابزار‌ها و تجهیزات، در جستجوی ماهیت ماده تاریک نیستند، بلکه به اثرات آن می‌پردازند. فضاپیمای پلانک متعلق به سازمان فضایی اروپا (ESA) از زمانی که در سال ۲۰۰۹ ماموریت خود را آغاز کرد شروع به ساخت یک نقشه از کائنات نمود. پلانک، در این راستا، به مشاهده چگونگی برهم‌کنش میان مواد در کائنات می‌پردازد. همچنین این توانای را دارد که در کنار ماده تاریک به مطالعه انرژی تاریک نیز بپردازد.

در سال ۲۰۱۴، تلسکوپ فضایی اشعه گاما فرمی (Fermi Gamma Ray Space Telescope) متعلق به ناسا، نقشه‌ای از قلب کهکشان راه شیری در محدوده اشعه گاما تهیه کرد. این نقشه نشان می‌دهد انتشار بیش از حد اشعه گاما از هسته کهکشان منشا می‌گیرد.

در آزمایشگاه Fermilab جستجو سریوژنی برای یافتن ماده تاریک با اسفاده از استوانه‌هایی ساخته شده از دیسک‌های سیلیکونی و ژرمانیومی در راستای یافتن ذراتی که قابلیت برهم‌کنش با ماده تاریک‌ را دارند، انجام می‌شود. (اعتبار: FermiLab)

دان هوپر، اخترفیزیکدان مشغول در آزمایشگاه FermLab می‌گوید:

سیگنال‌هایی که ما پیدا کرده‌ایم توسط گزینه‌های مطرح شده قابل توضیح نیست و با آن دسته از پیشبینی‌ها که مدل‌سازی‌هایی ساده از ماده تاریک ارائه می‌کنند بیشتر هماهنگی دارد.

محققان می‌گوید زیاد بودن اشعه گاما در مرکز کهکشان راه شیری می‌تواند مربوط به نابودی ذرات ماده تاریک با سطحی از انرژی در بازه ۳۱ تا ۴۰ میلیارد الکترون ولت است. با توجه به این نتایج ماده تاریک قابلیت چندانی در انتشار ندارد. در مجموع انجام پروژه‌ها و آزمایش‌های شناسایی بیشتری برای دستیابی به داده‌های بیشتر برای تجزیه‌ و تحلیل نیاز است.

انرژی تاریک، قوی‌تر از ماده تاریک است

با اینکه گفته شد ماده تاریک بخش زیادی از ماده کائنات را تامین می‌کند. اما مطالعات نشان می‌دهد، این مقدار تنها معادل یک چهارم ساختار جهان است. بله! جهان تحت سلطه مفهوم دیگری به نام انرژی تاریک است. انرژی تاریک بخش عمده مواد تشکیل دهنده کائنات را شامل می‌شود.

پس از انفجا بزرگ یا بیگ بنگ، جهان رویه گسترش به سمت بیرون را در پیش گرفت. دانشمندان تا پیش از این تصور می‌کردند که سرانجام این فرآیند با کمبود انرژی مواجه خواهد شد و طی یک روندی آهسته‌تر کشش جاذبه، اجرام را به سمت یکدیگر سوق می‌دهد. اما مطالعه ابرنواختر‌های دوردست نشان می دهد روند گسترش جهان نسبت به گذشته سریع‌تر شده است نه آهسته‌تر.

همچنین نشان ‌دهنده فاکتور شتاب در روند این گسترش است. این مشاهدات با میزان انرژی که ما برای جهان متصور هستیم جور در نمی‌آید. به طور حتم کائنات از انرژی کافی برای غلبه بر جاذبه و سبب شدن گسترش خود برخوردار است. چنین ماده ناشناخته‌ای را ماده تاریک می‌نامیم.

بیشتر بخوانید:

.

منبع: Space

مطلب ماده تاریک چیست ؛ سر به مهر‌ترین راز دنیای اخترفیزیک برای اولین بار در وب سایت تکراتو - اخبار روز تکنولوژی نوشته شده است.

اثبات وجود دریچه ای برای ورود به فیزیک جهان تاریک

فروردین ۱۹, ۱۳۹۶/در axion, اخبار, الکترون و فوتون, انرژی تاریک, بار الکترومعناطیسی, برهمکنش, درگاه, علم و دانش, فیزیک, فیزیکدانان, ماده تاریک, کوارک سنگین /توسط ادمین

فیزیکدانان نظری فرضیه جدیدی مطرح کرده اند که هدف آن، برقراری ارتباط میان فیزیک اشیای مرئی و نیروهای پنهان جهان است: اگر درگاهی وجود داشته باشد که روی فاصله میان مدل استاندارد ماده تاریک و انرژی تاریک پل بزند، چه می شود؟

گویا آی تی – ایده اصلی این فرضیه آن است که، دلیل آنکه در شناخت چیزهایی مانند ماده تاریک و انرژی تاریک بسیار به زحمت افتاده ایم، آن نیست که آنها وجود ندارند؛ بلکه دلیلش آن است که نسبت به درگاهی که می تواند محل تعامل و برهمکنش ذرات معمولی و این ذرات “تاریک” باشد، بی اعتنا بوده ایم. وجود این درگاه را می توان به صورت تجربی آزمایش کرد.
ایده وجود چنین درگاه هایی در جهان، در نگاه اول بسیار عجیب به نظر می رسد.، اما یک لحظه توجه کنید: ما از درگاههایی در ابعاد کوانتومی صحبت می کنیم؛ یعنی در مقیاس بسیار بسیار کوچک. نه درگاهی که بتوان یک فضاپیما را از آن رد کرد.

و این اولین باری نیست که این نوع از درگاهها در جهان فیزیک نظری بررسی و کشف شده است.
یک شکاف بزرگ در جهان فیزیک وجود دارد که بین آنچه می توانیم “فیزیک قابل مشاهده” بنامیم و آنچه “فیزیک تاریک” می دانیم، به وجود امده است. به همین دلیل می توان وجود مفهومی مثل درگاه را در نظر گرفت. فیزیک قابل مشاهده، به چیزهایی مربوط می شود که می توانیم اندازه بگیریم و مستقیما شناسایی نماییم؛ مانند امواج الکترومغناطیسی و فوتون ها. اما فیزیک تاریک، از چیزهایی تشکیل شده که می توانیم آثار آنها را احساس کنیم، اما نمی توانیم با آنها تعامل داشته باشیم؛ مثل ماده تاریک و انرژی تاریک. درگاه ها، نشان دهنده تلاش ما برای توضیح شیوه تعامل این دو جهان ظاهرا مجزا می باشد. همین تعاملات هستند که جهان ما را شکل داده اند.

قسمت قابل مشاهده فیزیک، بر محور ۱۷ نوع ذره می گردد که مدل استاندارد را تشکیل می دهند؛ از جمله این ذرات می توان به الکترون ها، فوتون ها، و بوزون هیگز اشاره کرد.
اما متاسفانه، مدل استاندارد نمی تواند همه آنچه که شاهد وقوعش در جهان هستیم را توضیح دهد. مهم تر از همه آنکه، این مدل نمی تواند گرانش یا نرخ انبساط جهان را توضیح دهد.
این مسئله باعث شد دانشمندان نیروهای فرضی ماده تاریک و انرژی تاریک را معرفی کنند. پیش بینی می شود این نیروها ۹۵ درصد از جهان را تشکیل داده باشند.
تحقیقات مختلف نشان داده اند که ممکن است ذرات پنهان و تاریکی وجود داشته باشند که ماده تاریک و انرژی تاریک را تشکیل دهند، اما ابزارهای ما نمی توانند آنها را آشکار کنند. اما آزمایش هایی مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون، روی آن کار می کنند. در این آزمایش ها، ذرات منظم با سرعت فوق العاده بالا با هم برخورد می کنند، به امید آنکه در خرابه های باقی مانده از آنها، چیزی به دست آید که نمایند بخش تاریک فیزیک باشد.

اما تاکنون، جهان فیزیک تاریک موفق شده خودش را از ما پنهان نگه دارد. و همین امر یک شکاف بزرگ ایجاد که محققان بسیار مشتاق اند آن را پر کنند و در نهایت درک ما از جهان را تکمیل نمایند.
در حال حاضر یک راه حل احتمالی پیشنهاد شده است. طبق نتایج یک تحقیق جدید که توسط محققان موسسه علوم پایه کره جنوبی انجام شده، با یک درگاه جدید، که “درگاه axion تاریک” نامیده می شود می توان روی این فاصله پل زد.
درگاههای میان جهان تاریک و جهان قابل مشاهده فیزیک، همان چیزی هستند که فیزیکدانان نظری به دنبالش می گردند. اما تا کنون، فقط دو نوع درگاه معرفی شده است: درگاههای برداری و درگاههای axion

این درگاه ها بر اساس دو ذره فرضی بخش تاریک که محققان وجود آنها را پیش بینی کرده اند، طراحی شده اند: axion و فوتون تاریک
Axion، ذره بسیار سبکی است که برای حل برخی از مسائل نظری با مدل استاندارد پیشنهاد شده است. فوتون تاریک، مانند فوتون قابل مشاهده ای است که تاریک شده باشد. در علم فیزیک، فوتون را ذره تشکیل دهنده نور مرئی می دانند.
فوتون های تاریک به جای آنکه مثل فوتون های معمول، با بار الکترومغناطیسی برهمکنش داشته باشند، با چیزی به نام بار تاریک هم جفت می شوند. این جفت شدگی توسط ذرات دیگر بخش تاریک انجام می گیرد.
در گذشته، درگاههای axion و برداری برای یافتن شواهد دال بر وجود این دو ذره مورد استفاده قرار می گرفتند، اما در تحقیق جدید نشان داده شده که درگاه axion تاریک، همان قطعه گم شده ی پازل ماست.
ایده اصلی پیشنهاد این درگاه جدید، آن است که یک نوع کوارک سنگین در مدل استاندارد وجود دارد که یک بار تاریک را نیز حمل می کند. این بارها می توانند با فوتون های تاریک برهمکنش داشته باشند.

به گفته تیم تحقیقاتی مذکور، Axionها، فوتون ها و فوتوهای تاریک، همگی می توانند با این کوارک سنگین برهمکنش داشته باشند.
به گفته سرپرست این تیم تحقیقاتی، لی های سانگ، “درگاه axion تاریک، اولین ارتباط بامعنا را میان دو جهان فیزیکی برقرار کرده است. این دو جهان، قبلا به صورت جداگانه مطالعه می شدند”.
“به این ترتیب می توانیم داده هایی که قبلا به دست آمده را مجددا تفسیر کنیم و در جستجوی خود برای پیدا کردن فوتون تاریک و axion ها به موفقیت برسیم”.
این تیم تحقیقاتی تاکنون فقط ایده وجود این درگاه را مطرح کرده و به نحوه عملکرد آن اشاره کرده بود، اما این روزها آزمایش های جدیدی را پیشنهاد می دهند که می توان در آنها با استفاده از این درگاه، یک بار برای همیشه ثابت کرد که آیا axionها و فوتونهای تاریک واقعا وجود دارند یا خیر.
این ایده بسیار جسورانه است، و ما تا زمانی که آزمایش های بیشتری انجام ندهیم، هیچ نشانه ای از صحت یا عدم صحت آن به دست نخواهیم آورد.
حتی زمانی که راهی برای شناسایی بخش تاریک فیزیک پیدا کنیم، فقط نیمی از تصویر جهان را دیده ایم؛ به همین دلیل دانشمندان باید آنقدر روی این ایده کار کنند تا پازل تصویر جهان کامل شود.

در جستجوی ماده تاریک در معدن طلا

دی ۱۱, ۱۳۹۵/در آزمایش های دیگر مانند LUX و XENON, اخبار, اشعه های کیهانی پر انرژی, ایا ماده تاریک وجود دارد؟, علم و دانش, فواید ماده تاریک, ماده تاریک, ماده تاریک چیست, ماده تاریک کجاست, معن طلا, پیدا کردن ماده تاریک /توسط ادمین

اعتقاد بر این است که میزان وجود ماده تاریک در کیهان پنج برابر ماده عادی است. اما تعامل آن با ماده های دیگر — مانند پروتون ها و الکترون ها که اشیاء اطراف ما را می سازند — آن چنان ضعیف است که تلاش های ما را برای شناسایی مستقیم آن به چالش می کشد.

گویا آی تی – ماده تاریک حتی با نور نیز تعامل ندارد، به همین دلیل است که ما آن را ماده تاریک می نامیم. اما این بدین معنا نیست که شناسایی آن غیر ممکن است. ما به روش های گوناگون می توانیم ماده تاریک را جستجو کنیم.
ما همچنین می توانیم با استفاده از شتاب دهنده های ذرات پر انرژی، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون در آزمایشگاه CERN، ماده تاریک را تولید کنیم.
ما همچنین می توانیم مناطقی از فضا که ماده تاریک متمرکز شده را رصد کنیم ، مانند مرکز کهکشان ها، تا نشانه هایی از برخورد ماده تاریک با ماده عادی را بیابیم.
در نهایت، ما می توانیم با ساختن ردیاب های کاملاً حساس به طور مستقیم سیگنال های ماده تاریک را جستجو کنیم، این ردیاب ها می توانند لحظه برخورد ذرات ماده تاریک با ذرات ماده عادی را شناسایی کنند.

در ماه ژانویه ۲۰۱۷، کار بر روی ساخت چنین ردیابی در معدن طلای استاول در ویکتوریای استرالیا آغاز خواهد شد، این معدن یک کیلومتر در زیر زمین قرار دارد.
جستجوهای مستقیم زیادی برای یافتن ماده تاریک در سراسر جهان در حال انجام است، اما آزمایش آزمایشگاه فیزیک زیرزمینی استاول (SUPL) اولین نوع از این آزمایشات در نیم کره جنوبی خواهد بود.
دلیل این که این حسگرها در چنین عمقی از زمین قرار می گیرند این است که اختلالات اشعه های کیهانی بر روی آنها تاثیر نگذارند. اشعه های کیهانی ذرات با انرژی بالا هستند که دائماً زمین را بمباران می کنند.

این اشعه های کیهانی بسیار پر انرژی هستند بنابراین برای مسدود کردن آنها و جلوگیری از ایجاد تداخل در آزمایش به تجهیزات و مواد زیادی احتیاج است.
تاکنون فقط یک ادعای شناسایی مستقیم ماده تاریک توسط آزمایش DAMA-LIBRA در آزمایشگاه زیرزمینی Gran Sasso در ایتالیا وجود داشته است.
در این آزمایش از کریستال های یدید سدیم دارای تالیوم استفاده شده، به طوری که وقتی ماده تاریک با اتم های ماده عادی در کریستال ها برخورد کند یک تابش نور به سختی قابل شناسایی را منتشر می کند.
با این وجود، به نظر می رسد این آزمایش ردیابی با آزمایش های دیگر ناسازگار باشد. در آزمایش های دیگر مانند LUX و XENON، از مواد هدف و روش های ردیابی متفاوت استفاده می شود که تاکنون هیچ سیگنالی از ماده تاریک مشاده نکرده اند، در صورتی که حساسیت بیشتری دارند.
در عمل اثبات شده است که ارائه تئوری های ماده تاریک که سازگاری آزمایش DAMA-LIBRA را با جستجوهای تجربی دیگر امکان پذیر سازند بسیار دشوار است.

ماده تاریک برای تمام فصول
این اعتقاد وجود دارد که کهکشان مارپیچی ما در حال چرخش به درون مقادیر زیاد و غیر متراکمی از ماده تاریک ساکن است. با چرخش کهکشان از میان ماده تاریک، خورشید ما ” تندباد” ثابتی از ماده تاریک را تجربه می کند.

به دلیل وجود مقدار زیاد ماده تاریک در اطراف ما سرعت چرخش زمین به دور خورشید تغییر می کند، به همین دلیل ما انتظار داریم که شاهد تغییر در سیگنال ماده تاریک در طول یک سال باشیم. این تغییر را مدولاسیون (یا دامنه تغییر) سالیانه می نامند.
این چیزی است که آزمایش DAMA-LIBRA گزارش کرده است. با انجام یک آزمایش جدید و بهبود یافته به نام SABRE، که در آن از ردیاب های موجود در دو نیم کره استفاده می شود، ما می توانیم از هرگونه تاثیر فصلی ممکن که بتواند در شکل مدولاسیون سالیانه ظاهر شود جلوگیری کنیم.
ما فکر می کنیم که معدن طلای استاول مکان بسیار مناسبی برای انجام این آزمایش باشد. آن یک معدن پیچشی به سمت پایین است، بدین معنا که دارای یک وروی شیب دار به سمت زیر زمین است که به دور خودش می چرخد.

برای رسیدن به مکان آزمایشگاه SUPL باید به مدت ۳۰ دقیقه در مسیر ۱۵ کیلومتری پیچ در پیچ تونل های زیرزمینی حرکت کرد.
فضای اصلی این آزمایشگاه در یک فضای خالی با پهنای ۱۰ متر و با طول ۳۵ متر که اخیراً در داخل یک تخته سنگ کنده شده، قرار خواهد گرفت.
دیواره های این فضای خالی از طریق چندین پیچ و مهره بلند به تخته سنگ های مجاور متصل خواهند شد و سپس برای استحکام بیشتر سطح این دیواره ها با لایه ضخیمی از بتن پوشانده خواهد شد.

کار حفاری و تقویت دیواره ها در اوایل سال ۲۰۱۷ آغاز می شود و ساخت این آزمایشگاه در اوایل سال ۲۰۱۷ انجام خواهد شد. بخش ها و اجزاء متعلق به نیم کره جنوبی آزمایش SABRE در اواخر سال ۲۰۱۷ وارد آزمایشگاه شده و عملیاتی خواهند شد.
انتظار می رود که آزمایشگاه SUPL در سال های آینده شاهد انجام آزمایش های متعدد دیگری باشد، که آزمایش های فیزیک اتمی تا مطالعات سیستم های بیولوژیکی در محیط های پر تشعشع و کم تشعشع را شامل می شود.
ما امیدواریم که این آزمایش در نهایت بتواند مدارک و شواهد واضحی از این ماده تاریک گریزپا فرآهم کند.