دسته
علوم
آرشیو
آمار وبلاگ
تعداد بازدید : 4850
تعداد نوشته ها : 6
تعداد نظرات : 0
Rss
طراح قالب
ماده ی تاریک چیست و جرم گم شده کجاست؟ هنگامی که در شبی صاف و تاریک به آسمان می نگریم حداکثر حدود 6000 ستاره را با چشمان عاری از هر ابزار رصدی می بینیم.آن چه ما با چشم غیر مسلح می بینیم،فقط تعدادی از ستاره های کهکشان ماست. در حالی که حدود1022×8(80 هزار میلیارد میلیارد)ستاره در عالم وجود دارد.تعدادی از آن ها بار ها بزرگتر از خورشید هستند.خورشید ستاره است معمولی با جرم 1030×2کیلو گرم است(بیش از یک میلیون برابر جرم زمین).محاسبه ای ساده نشان می دهد که جرم تمامی ستاره های عالم 1052×16 کیلو گرم است.اگر جرم سیاهچاله ها و ابرهای عظیم گاز که فضای میان ستاره ای را تشکیل می دهند را نیز به آن ها اضافه کنیم ،عدد بزرگی به وجود می آید که خارج از تصور ماست.می خواهید باور کنید یا نه اما این تنها جرم 5 تا 10 در صد کل عالم را تشکیل می دهد.بقیه به شکل ماده ای است که ما نمی توانیم ببینیم،اما به دلیل اثری که روی حرکت ستاره ها وآنچه می بینیم می گذارد،شک نداریم که وجود دارد.بیشتر اجرام سماوی در ساختار هایی که آن ها را کهکشان می نامیم،قرار دارند.خود کهکشان ها در گروه هایی کنار هم جمع می شوند و از گرد آمدن گروه ها،خوشه ها ی کهکشانی و اجتماع خوشه های کهکشانی،ابر خوشه ها را پدید می آورند.هر یک از این ساختارها  حول نقطه ای که مرکز جرم مجموعه است می گردد.این حرکت کاتوره ای و نامنظم نیست،بلکه مانند رقص هماهنگی است که همراه با موسیقی دقیقی مثل سمفونی های موتزارت اجرا می شود.با این تفاوت که سازنده ی این قطعه موسیقی کسی نیست جز آفریدگار همه ی این ها.دانشمندانی که در این زمینه کار می کنند،آن را "موسیقی سپهر"مینامند.این دوران از قوانین دقیق فیزیکی پیروی می کند.ما می توانیم با روش ها ی مختلف جرم هر یک از این ساختار ها را محاسبه کنیم.مثلا با استفاده از مقدار نوری که از آن ها به ما  می رسد،تعداد ستاره های آن را به دست آوریم و با استفاده از روش های آماری جرم کل را تخمین بزنیم.روش دیگر، استفاده از دوران حول مرکز جرم،مثلا مرکز کهکشان است.ما می توانیم این سرعت را با بررسی کهکشان هایی که از روی زمین از پهلو دیده می شوند،به دست آوریم.هنگامی که ما نور یک سمت کهکشان را وارد طیف نگار می کنیم،می بینیم که طیف تشکیل شده به سمت طول موج ها ی بلند تر یا به سمت قرمز جابه جا شده است(جابه جایی دوپلری)این نشان می دهد که این لبه در حال دور شدن از ماست.حالا اگر این طیف لبه ی دیگر را بگیریم،می بینیم که به سمت طول موج ها ی کوتاه تر یا آبی جابه جا شده است،یعنی به سمت ما حرکت می کند.به این ترتیب می فهمیم که کهکشان در چه جهتی می چرخد.دانشمندان با استفاده از مقدار جابه جایی طیف می توانند سرعت دوران را تعیین کنند.با دانستن سرعت چرخش کهکشان میتوان جرم آن را به دست آورد.در سال 1933/1312،فریتز زوئیکی حرکت کهکشان های دور را با هر دو روش بررسی کرد.اما هنگامی که نتایج را مقایسه کرد،متوجه شد که چهار صد برابر با هم فرق می کنند!او این اختلاف را به اثر جرم ناپیدایی نسبت داد که قابل مشاهده نبود و آن را "جرم گمشده"نامید.حضور جرم گمشده در سنجش سرعت کهکشان مشخص می شد.تک ستاره های داخل کهکشان نیز مانند سیارات درمنظومه شمسی رفتار می کنند و حول مرکز کهکشان می گردند.هر چقدر ستاره ی دورتر باشد سرعت چرخش آن کمتر است(قانون دوم کپلر).اما سرعت هایی که با توجه به  مقدار جابه جایی دوپلری برای ستاره های دور دست به دست آمده است،نشان می دهد که بسیارسریع تر از آن چه که قانون دوم کپلر تعیین می کند،حرکت می کنند.با این سرعت زیاد ستاره ها نمی توانند در کهکشان باقی بمانند و باید به سمت بیرون کهکشان پرتاب شوند. عامل دیگری باید آنها را نگه داشته باشد. این نیروی اضافی فقط می تواند بر اثر جاذبه ی گرانشی مقدار زیادی «ماده ی تاریک» باشد که داخل خود کهکشان قرار دارد. آیا این همان جرم گمشده ای نیست که زوئیکی درباره اش صحبت کرده بود؟یافته ی زوئیکی تا دهه ی 1970 (دهه ی 1350) در محاق قرار داشت تا این که سرانجام پذیرفته شد که فقط مقدار زیادی جرم پنهان می تواند بسیاری مشاهدات دیگر را توجیه کند و نظریه های گوناگون درباره ی ساختار عالم را تأیید کند. در حال حاضر دانشمندان درباره ی ماهیت این جرم تاریک، مرموز و ناشناخته تحقیق می کنند.ماهیت ماده ی تاریک: ماخوها و ویمپ هاوجود «ماده ی تاریک» یا «جرم گمشده» نه فقط سرعت بالای ستاره ها در لبه های کهکشان را توجیه می کند، بلکه به نظریه های موجود درباره ی آغاز و سرنوشت عالم اعتبار می بخشد. بررسی ها نشان می دهد که حدود 90 تا 95 درصد جرم کل عالم به شکل ماده ی تاریک است.ما نمی توانیم ماده ی تاریک را ببینیم. وجود آن فقط از روی اثری که بر ماده ی قابل مشاهده در عالم می گذارد، اثبات می شود. اما جنس این ماده چیست؟ دو امکان وجود دارد: یکی وجود ماخو یا ماچو است، (اجرام پرجرم و فشرده ی هاله ی کهکشان، MACHO                                      مخفف Massive Compact Halo Objects) ماخوها اجسام پرجرمی هستند که جرم آنها از ستاره های کوچک تا سیاهچاله ابرپرجرم تغییر می کند. آنها از ماده ی معمولی که می شناسیم (ماده ی باریونی)، ساخته شده اند. ماخوها همان طور که توضیح نامشان نشان می دهد، در هاله ی کهکشان پنهان اند.نامزد دیگر برای ماده ی تاریک ویمپ ها هستند (ذرات پرجرم با برهم کنش ضعیف، WIMP مخفف Weakly Interacting Massive Particles ) این ذرات از جنس ماده معمولی یا باریونی نیستند، یعنی با جنس زمین، ستاره ها، بدن ما و هر آنچه در عالم می شناسیم، فرق می کنند. این ذرات با ماده ی معمولی و ذرات معمولی مثل الکترون و پروتون برهم کنش نمی کنند. برای همین آشکارسازی آنها بسیار دشوار است. نوترینوها ذرات بسیار کوچک دیگری با برهم کنش ضعیف اند که تاکنون جرم آنها به دست نیامده است. تعداد آنها در عالم غیرقابل تصور است. در هر ثانیه میلیاردها نوترینو از بدن شما عبور می کند، بدون اینکه شما چیزی را احساس کنید. نوترینوها نیز بدن شما را نمی بینند و بدون برهم کنش از آن عبور می کنند.اخترشناسان به دنبال ماخوها و فیزیکدانان ذرات بنیادی به دنبال ویمپ ها می گردند. ماخوها به طور عمده کوتوله های قهوه ای، کوتوله های سفید دوردست و سیاهچاله ها هستند که وجود آنها حتی پیش از احتمال وجود ماده تاریک، پیش بینی شده بود. در نظریه های پیدایش و تحول ستاره ها وجود کوتوله های قهوه ای، یعنی ستارگانی که هرگز متولد نمی شوند، پیش بینی شده بود. آنها نیز مانند ستاره ها از هیدروژن ساخته شده اند، اما بسیار کوچک ترند. ستاره ای مانند خورشید ما آنقدر جرم داشته است که بر اثر گرانش خودش فشرده شود و دما و فشار در مرکز ستاره به قدری بالا رود که واکنش های هسته ای آغاز شوند و انرژی و نور تابش کند. جرم این ستاره های نارس آن قدر نیست که بر اثر گرانش، فشار لازم برای انجام واکنش های هسته ای در مرکز ستاره تأمین شود، بنابراین فقط مقدار کمی گرما و نور تابش می کنند.نظریه ی نسبیت عام آلبرت اینشتین نیز وجود سیاهچاله ها را پیش بینی کرده بود. برخلاف کوتوله های قهوه ای، سیاهچاله ها جرم خیلی زیادی دارند. ستاره های بسیار پرجرم در پایان عمر خود به شکل ابرنواختر منفجر می شوند و هسته ی بازمانده آنها بر اثر گرانش آن قدر فشرده و متراکم می شود که هیچ چیز، حتی نور نمی تواند از میدان گرانش بسیار قوی آن بگریزد. هر ستاره یا ابر گازی که به سیاهچاله نزدیک شود، مثل گردابی دور آن می چرخد تا سرانجام به داخلش بلعیده شود. هنگامی که جسمی به سمت سیاهچاله کشیده می شود، به دور آن گردش می کند و سرعت آن بیشتر و بیشتر می شود تا جایی که به نزدیکی سرعت نور برسد. در این حالت ماده ای که در حال فروریزش به داخل سیاهچاله است. پرتوهای ایکس و دیگر امواج الکترومغناطیسی را تابش می کند که از روی زمین می توان آنها را آشکار کرد.در مرکز بسیاری از کهکشان ها سیاهچاله های بسیار پرجرمی شناخته شده اند که جرمی میلیون ها برابر و حتی میلیاردها برابر جرم خورشید دارند. سیاهچاله های با جرم کمتر، حدود چند ده تا چند هزار برابر جرم خورشید نیز در هاله ی کهکشان و در مرکز خوشه های ستاره ای کروی آشکار شده اند. تلسکوپ های فضایی هابل و چاندرا با آشکار کردن پرتوهای ایکس و دیگر پرتوهایی که از ماده ی در حال فروریزش به داخل سیاهچاله ها تابش می شوند، آنها را آشکار کرده اند.علاوه بر این حتی سیاهچاله های پراکنده و سرگردان کم جرم (3 تا 5 برابر جرم خورشید) نیز وجود دارند که به تازگی یکی از آنها کشف شده است. این سیاهچاله ها با مقایسه بین دو نقشه برداری که از ستارگان نزدیک به خورشید در سالهای 1340/1961 و 1381/2002 انجام شده بود، کشف شد. فاصله ی آن از خورشید فقط 7000 سال نوری است. دنبال کردن این مسیر حرکت این سیاهچاله نشان می دهد که زمانی حدود 7 میلیارد سال پیش از مرکز راه شیری به سمت بیرون پرتاب شده است.زمانی آشکار کردن اجسامی مانند ماخوها که از فاصله های نجومی قابل مشاهده نیستند، غیر ممکن به نظر می رسید، اما پس از پرتاب تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ پرتو ایکس چاندرا به مدار زمین دریچه های تازه ای برای آشکار کردن ماخوها در هاله ی کهکشان ها و سیاهچاله ها گشوده شده است. البته تصاویر تلسکوپ فضایی هابل از کوتوله های قهوه ای آشکار شده بسیار کم است و این اجسام بسیار پراکنده اند. در حال حاضر تخمین زده می شود که کوتوله های قهوه ای فقط 6 درصد از ماده تاریک هاله ی کهکشان را تشکیل می دهند.استفاده از اثر ریز همگرایی گرانشی برای آشکار کردن ماخوهااثر همگرایی گرانشی روش دیگری برای آشکار کردن ماخو هاست.نخشتین بار اینشتین این اثر را به صورت اصل فیزیکی بیان کرد:هنگامی که نور از میدان گرانشی(یعنی فضا-زمان خمیده)عبور می کند.به جای خط مستقیم،مسیری منحنی طی می کند و خم می شود.هنگامی که یک ماخو از مقابل چشمه ی نور ی مانند ستاره یا کهکشان عبور می کند،این اتفاق برای نوری که از ستاره به زمین می رسد رخ می دهد.هنگامی که نور تابش شده از ستاره یا کهکشان از میدان گرانشی ماخو عبور می کند از همه ی جهات به سمت یک نقطه منحرف می شود و هنگامی که به زمین می رسند،در یک نقطه جمع می شوند.به این ترتیب پرتوهایی که در حالت عادی از اطراف زمین عبور می کردند،همگی به سمت یک نقطه جمع می شوند و موجب می شوند که ما چشمه ی نور را لحظات کوتاهی درخشان تر از حالت عادی ببینیم.اخترشناسان با پشتکار فراوان تصاویر آسمان شب را بررسی می کنند تا درخشندگی های آنی ستارگان را که وجود ماخوها را نشان می دهد در آن ها بیابند.با این روش علاوه بر وجود ماخو می توان جرم و فاصله ی آن را نیز تعیین کرد.تعداد ماخوهایی که تاکنون به این روش آشکارشده اند نیز بسیار کمتر از آن چیزی است که اختر شناسان پیش بینی کرده اند.جرمی که برای ماخوها ی آشکار شده به دست آمده است بین جرم مشتری و خورشید قرار دارد.مشتری و سیارات بزرگ مشتری مانند در منظومه های دیگر نیز ماخو محسوب می شوند.ویپ هابا توجه به دستاوردهای جدید، فیزیکدانان ذرات بنیادی با اطمینان بیشتری مدعی هستند که ماخوها نمی توانند 90 درصد جرم عالم را تشکیل دهند، برای همین مصرانه در جستجوی ویمپ ها هستند، این ذرات بسیار کوچک تر از اتم، اما دارای جرم اند. با ماده ی باریونی برهم کنش نمی کنند و حتی به راحتی از میان آن عبور می کنند. از آنجا که جرم این ذرات بسیار کم است، تعداد زیادی از آنها لازم است تا بتواند که این مقدار عظیم ماده ی تاریک را تأمین کند.بهترین نامزد این گونه ذرات نوترینوها هستند که در هر ثانیه میلیاردها عدد از آن از بدن ما و کره ی زمین عبور می کند. حتی اگر دیواری سربی به ضخامت فاصله ی خورشید تا مشتری داشته باشیم، نوترینوها می توانند به راحتی بدون هیچ گونه برهم کنشی از آن عبور کنند. آشکارسازهایی که اخیراَ در اعماق معدن هایی در آمریکا و ژاپن جاسازی شده اند، نشان می دهد که ممکن است نوترینوها جرم داشته باشند. این آشکارسازها در اعماق زمین و در معادن فلزات کار گذاشته می شوند تا هیچ ذره اتمی دیگری به آن راه پیدا نکند. روشی دیگر برای آشکارسازی ویمپ ها سرد کردن یک بلور بزرگ تا دمای صفر مطلق یا حدود 273 درجه سلسیوس زیر صفر است. در این شرایط حرکت و ارتعاش اتم های بلور به حداقل ممکن می رسد و اگر در این حالت یک ویمپ به اتمی برخورد کند، آن را مرتعش می کند و دمایش را بالا می برد. این گرمای ناچیز ایجاد شده قابل اندازه گیری است. در آزمایش مشابه دیگری از یخ های قطبی به جای بلور سرد شده استفاده می شود. وجود ماده تاریک نه فقط اختلاف در محاسبات جرم کهکشان ها را توضیح می دهد، بلکه یکی از مشکلات نظریه ی مهبانگ را که سال ها موجب آزار کیهان شناسان بود، حل می کند. بنابر نظریه ی مهبانگ، عالم از گسترش و انبساط نقطه ی بی نهایت کوچکی از انرژی بی نهایت آغاز شده است. سرعت انبساط آن قدر زیاد بوده است که بر گرانش غلبه کند و به ماده اجازه دهد که به صورت کلوخه ای گرد هم آید و ستاره ها و کهکشان ها را که امروزه می بینیم، تشکیل دهد. انبساط عالم که در سال 1312/1933 هابل آن را کشف کرد، قسمت اول نظریه را تأیید می کند. اما سؤال آزار دهنده این است که چگونه در عالمی که همه ی ماده در آن یکنواخت پخش شده و گرانش وارد بر همه ی ذرات یکسان است، ممکن است ساختارهای کلوخه ای ایجاد شود؟ عامل دیگری باید به گرانی ذاتی ذرات کمک کرده باشد تا اولین نطفه ها تشکیل شوند و اولین ستاره ها متولد شوند.با وجود یافته های فراوان، معمای ماده ی تاریک در عالم هنوز سربه مهر باقی مانده است. طرح های بزرگ پژوهشی که با روش های مختلف در جستجوی یافتن هندسه ی عالم و آغاز و سرانجام آن هستند، شاید بتوانند گره از این راز سربه مهر نیز بگشایند. اگر ماده تاریک واقعاً از ویمپ ها باشد، در آن صورت باید واقعیت تاریخی را بپذیریم، نه فقط در مرکز جهان نیستیم، بلکه از نوع ماده اصلی جهان نیز تشکیل نشده ایم.
دسته ها :
دوشنبه بیست و هشتم 11 1387
X