زمان، میانبری به اسرار ماده تاریک

مقاله ای که در پیش رو مشاهده می کنید؛ یکی از مقالات “برایان کوبرلین” و برگرفته از وب سایت شخصی وی می باشد. در این مقاله، نقش احتمالی ماهواره‌های GPS در امکان‌سنجی توریع ماده تاریک در نزدیکی زمین بیان و بررسی می شود. 

برگردان: محمد فلاحی

ویرایش: احسان سنائی

پیشگفتار مترجم

آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی نظریه نسبیت عام خود را ارائه کرد. اولین پیش‌بینی کلی این نظریه یک جهان منبسط‌ شونده بود و از آنجا که اینشتین جهان را ایستا می‌پنداشت ثابتی را موسوم به «ثابت کیهان‌شناختی» وارد معادله خود کرد و از آن معادله‌ای ساخت که توصیف‌گر یک جهان ایستا بود. اولین تٲئید تجربی نظریه او با رصدهای انجام‌شده در خورشیدگرفتگی سال ۱۹۱۹ بود که توسط بررسی میزان خمیدگی نور ستاره‌های پس‌زمینه آسمان در حین عبور از نزدیکی جرم بزرگی چون خورشید، انجام گرفت.

اما در سال ۱۹۲۹، رصدهای ادوین هابل منجم آمریکایی، از طریق مشاهده انتقال‌ به‌ سرخ طیف اجرام آسمانی نشان داد که کهکشان‌ها و اجرام دور در حال دورشدن از ما هستند و هرچه این اجرام دور‌تر باشند سرعت دورشدن‌شان هم از ما بیشتر است. و این اولین شاهد دال بر انبساط جهان بود و آلبرت اینشتین را – به‌گفته خود – متوجه “بزرگترین اشتباه علمی”‌اش ساخت. نکته‌ای که راجع به انبساط جهان حائز اهمیت است این‌که این انبساطْ مرکزی ندارد و انگار همه‌ی اجرام کیهان در حال دورشدن از هم هستند. یک مثال رایج در این مورد بادکنکی است که ما نقاطی را بر روی آن علامتگذاری کرده و شروع به بادکردن آن می‌کنیم. در حین باد شدن بادکنک، همه نقاط روی آن شروع به فاصله‌گرفتن از یکدیگر می‌کنند. اما آنچه در مورد انبساط جهان تصور می‌شد این بود که گرانشْ آن ‌را کُند می‌کند. یعنی به دلیل نیروی جاذبه‌ای که همه اجرام به هم وارد می‌کنند تٲثیر انبساط جهان را تا حدی خنثی می‌کنند. با این دید، یکی از سناریو‌هایی که برای آینده جهان ترسیم می‌شد این بود که زمانی این انبساط متوقف شده و جهان دوباره رو به انقباض می‌گذارد یا اصطلاحاً به روی خود می‌رُمبد. و البته سناریوی دیگر این بود که اگر چگالی انرژی موجود در کل کیهان به مقدار کافی نباشد، جهان همچنان به انبساط خود ادامه می‌دهد. این تفکر ِ حاکم بر جامعه علمی اوایل دهه ۱۹۹۰ بود.

اما باز هم این هابل بود که واقعیات جدیدی را رو کرد؛ این‌بار تلسکوپ فضایی هابل. با رصدهای انجام‌گرفته توسط این تلسکوپ فضایی در سال ۱۹۹۸ از ابرنواختران بسیار دور مشخص شد انبساط جهان شتابناک است و در گذشته این انبساط کُندتر از اکنون بوده‌ است. لذا این سؤال درخور تأمل مطرح شد که چه عاملی موجب شتاب ‌گرفتن انبساط جهان شده است؛ سؤالی که البته هنوز پاسخ قطعی‌ای به آن داده نشده است. اما نامی که دانشمندان بر این پاسخ گذاشته‌اند «انرژی تاریک» است، و صفت «تاریک» از آن‌رو که ماهیت آن هنوز ناشناخته است.

ماده تاریک

یکی دیگر از مهمترین معماهای کیهان‌شناسی که قبل از آنکه به درستی به ماهیت آن واقف شوند نامی بر آن نهاده‌اند «ماده تاریک» است. این‌بار هم لفظ «تاریک» از آن جهت به کار رفته که این ماده، هم ناشناخته است و هم با چشم غیرمسلح یا مسلح قابل رؤیت نیست. یعنی این ماده صرفاً اندرکنش گرانشی دارد. یکی از شواهد قوی وجود ماده تاریک، ناهم‌خوانی تئوریک و رصدی سرعت‌های اجرامی است که به گرد مرکز کهکشان ما در حال چرخش‌اند. مقدار ماده موجود در کهکشان ما که توسط تلسکوپ‌ها قابل رصد است نمی‌تواند منشأ چنین سرعت‌هایی باشد و لازم است جرم بیشتری در فضای بیناکهکشانی متمرکز باشد. چنین جرمی از طریق مشاهدات اپتیکی قابل مشاهده نیست اما تأثیر گرانشی آن بر اجرام کهکشان به‌وضوح مشخص است.

با تطبیق نظریه و داده‌های رصدی، چنین بر‌می‌آید که از کل جرم و انرژی موجود در کیهان، حدود ۶۸% انرژی تاریک، حدود ۲۷% ماده تاریک و فقط چیزی کمتر از ۵% ماده معمولی باشد. این ۵ درصد، تمام آن ستاره‌ها و کهکشان‌هایی را شکل می‌دهد که با تلسکوپ‌ها در طول موج‌های مختلف رصد‌شده‌اند و در واقع این امر شگفت‌انگیزی‌ست که تمام آنچه در جهان می‌بینیم فقط پنج در‌صد چیزی است که واقعاً وجود دارد. حال گرچه بیش از پنج دهه از تأئید قطعی وجود ماده تاریک می‌گذرد اما بشر تاکنون مواجهه‌ی مستقیمی با این ماده نداشته است یا به عبارتی از ماهیت آن بی‌اطلاع است و در آزمایشگاه‌های خود آن را مشاهده نکرده است.

پژوهش‌گران به‌ تازگی فرضیه‌ای را مطرح کرده‌اند که چه بسا اسرار ماده‌ی تاریک را دست‌یافتنی‌تر کند؛ به‌طوری‌که چنانچه فرضیه‌شان صحت داشته باشد، آن‌‌وقت از «سامانه موقعیت‌یاب جهانی» (GPS) می‌توان نه‌تنها برای موقعیت‌یابی‌های زمینی، بلکه برای موقعیت‌یابی تجمعات ماده تاریک هم استفاده کرد. در ادامه، مشروح یادداشتی به قلم برایان کوبرلین، از اخترفیزیکدانان انیستیتو فناوری روچستر را در این‌باره، با ترجمه‌ی نگارنده می‌خوانید.

سامانه GPS

سامانه موقعیت‌یاب جهانی، مجموعه‌‌ی از ماهواره‌های مستقر در مدار زمین است که به‌منظور مکان‌یابی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر یک از این ماهواره‌ها سیگنالی را بر اساس موقعیت مکانی و زمانی خود به زمین مخابره می‌کند. یک گیرند‌ه‌ی GPS هم بر روی زمین، از طریق سیگنال‌های گسیلی از چند ماهواره قادر است موقعیت‌ خود را بر سیاره‌مان مشخص کند. بیشترین کاربرد سامانه‌ی GPS احتمالاً در گوشی‌های تلفن همراه باشد. اگر تا‌به‌حال از گوشی خود برای جهت‌یابی استفاده کرده باشید، بالطبع از GPS استفاده کرده‌اید. برای اینکه این سامانه عملکرد مطلوبی داشته باشد، ساعت‌های مستقر بر یک ماهواره‌ GPS بایستی فوق‌العاده دقیق باشند؛ آن‌قدر که باید حتی اثرات جزئی ناشی از نسبیت خاص و نسبیت عام  اینشتن هم در محاسبات‌شان لحاظ گردد.

مطابق نظریه نسبیت خاص، جابجایی جسمی نسبت به شما، موجب کندتر گذشتن زمان برای آن جسم از دید شما می‌شود. از آنجا هم که ماهواره‌های GPS در حال گردش به دور زمین‌اند، ساعت‌های‌شان از دید ما کندتر می‌گذرند. در نظریه نسبیت عام، عملکرد ساعتی که در یک میدان گرانشی حضور دارد؛ کند‌تر از ساعتی است که در چنین میدانی واقع نیست. از آنجا که مقدار نیروی گرانش زمین در سطح سیاره کمی بیشتر از مقدار آن در مدار ماهواره‌هاست، ساعت ماهواره‌ها هم می‌بایستی از دید ما کمی «تندتر» بگذرد. با تلفیق این دو اثر به این نتیجه می‌رسیم که ساعت‌های مستقر بر ماهواره‌های GPS، هرروزه ۳۸ میکرو‌ثانیه از ساعت‌های زمینی جلو می‌افتند. این در حالی‌ست که مکان‌یابی دقیق بر روی زمین، دقتی معادل روزانه ۲۰ نانو‌ثانیه می‌طلبد؛ که ۱۰۰۰ برابر از مقدار تأخیر یادشده بیشتر است. ساعت‌های سامانه GPS طوری میزان شده‌اند تا اثرات اتساع زمان -یا همان کش آمدن زمان- را جبران کنند، به‌طوری‌که آنچه نشان می‌دهند، زمان زمینی است، نه زمان محلی‌شان.

از آنجا که ساعت‌های سیستم GPS بسیار دقیق‌اند، هر افت و خیزی در شدت نیروی جاذبه در پیرامون زمین، به نحو بسیار جزئی اما قابل شناسائی‌ای بر زمان‌سنجی‌شان اثر می‌گذارد. همین امر هم‌اینک منجر شده به طرح ایده‌ای که به‌تازگی در چارچوب مقاله ای در نشریه Nature Physics منتشر شده است؛ ایده‌ای که می‌گوید بیاییم از سامانه‌ی GPS برای تشخیص ماده تاریک استفاده کنیم. همانطور که بیشتر شما مطلع‌اید، ماده تاریک نوع اسرارآمیزی از ماده است که اندرکنش چندانی با نور ندارد و از همین‌رو با چشم غیرمسلح یا مسلح قابل دیدن نیست. اما اثرات گرانشی آن بسیار قابل توجه است، و شواهد بسیاری برای تائید آن وجود دارد؛ از پدیده‌ی «عدسی گرانشی» گرفته تا ساختار‌ بزرگ‌مقیاس خوشه‌های کهکشانی. با این‌همه، ما تاکنون موفق نشده‌ایم آن را مستقیماً آشکارسازی کنیم، و همین باعث شده تا دقیقا مطمئن نباشیم ماهیت آن چیست. البته فرضیات مختلفی راجع به ماهیت این ماده وجود دارد؛ از “ذرات سنگین با اندرکنش ضعیف” (یا اختصاراً WIMPها) گرفته تا ذرات نامتعارفی موسوم به «آکسیون»‌ها، و حتی سیاه‌چاله‌های نخستین.

ماده تاریک توپولوژیک

مقاله مذکور، نامزدی حتی عجیب‌تر را مدنظر دارد؛ نامزدی تحت عنوان «ماده تاریک توپولوژیک». اکثر نامزدهای ماده تاریک، فرض را بر این می‌گیرند که این ماده ماهیتی «ذره‌ای» دارد؛ یعنی ذراتی که با برهم‌کنش گرانشی‌ خود، در مقیاس‌های کهکشانی و بیناکهکشانی تجمع می‌کنند، نه مقیاس‌هایی کوچک‌تر. در این مدل‌های ذره‌ای، ماده‌ی تاریک اثر گرانشی کافی‌ای که بتوان مستقیماً محاسبه‌اش کرد اعمال نمی‌کند. در واقع بررسی موقعیت دینامیکی ستارگانی که در شعاع هزار سال نوری از زمین واقع شده‌اند، برخلاف انتظار، حاکی از وجود هیچ‌گونه تأثیر برآیندی از جانب گرانش ماده تاریک نبوده‌اند.

اما ماده تاریک توپولوژیک (که به‌واسطه زاویه‌ی دیدی که در صورت‌بندی مفهوم آن اتخاذ شده، به ماده تاریک «بالا-به-پایین»، یا اختصاراً TD هم معروف است)، ماهیتی متفاوت دارد. طبق این فرضیه، ماده تاریک به جای این‌که از «ذره» تشکیل شده باشد، ماحصل اعوجاجات موضعی پراکنده بر بافت فضا-زمان است. این ایده اساساً مبتنی‌ست بر مدل «ریسمان‌های کیهانی» (البته با «نظریه ریسمان» اشتباه نشود). تمثیل نه‌چندان دقیق‌اش این می‌شود که بگوییم همچنان‌که آب به هنگام یخ بستن، در حدفاصل دو محدوده‌ی در حال تبلور دچار ترک‌خوردگی می‌شود، نواحی مختلفی از بافت فضا-زمان هم حین دوره‌ی «تورمی» از مقاطع اولیه‌ی عمر جهان، به هیأت وضعیت فعلی خود «منجمد» شده‌اند و «ریسمان‌های کیهانی» را به هیأت ترک‌هایی در بافت فضا-زمان از خود به جا نهاده‌اند. در چارچوب این مدل، امکان این وجود دارد که ریسمان‌های کیهانی رفته‌رفته به ذرات مختلفی وابپاشند، از جمله همین ماده تاریک.

از آنجا که اعوجاجات توپولوژیک نامبرده، به حالت «موضعی» در فضا وجود دارند، ماده تاریک حاصله هم حول همان نواحی تجمع می‌کند. چنین تجمعی هم از طرفی منجر به اعوجاج فضا-زمان پیرامونی‌اش می‌شود؛ اعوجاجی نه‌چندان زیاد، منتها آن‌قدر که بشود با ساعت‌هایی همچون نمونه‌های مستقر بر ماهواره‌های GPS اندازه‌گیری‌اش کرد. در مقاله مذکور، نویسندگان به تأثیراتی نظر داشته‌اند که در صورت عبور تجمعی از ماده‌ی تاریک TD از کنار زمین، چه بسا ساعت‌های GPS را متأثر از خود کنند. آنچه هم که این نویسندگان در پی محاسبات‌شان متوجه شدند این بود که چنین عبوری می‌تواند تأثیر قابل محاسبه‌ای داشته باشد.

البته محض شفاف‌سازی، این نکته را هم اضافه کنیم که تاکنون هیچ‌گونه مدرکی دال بر وجود ریسمان‌های کیهانی یا چیزی شبیه به آن‌ها به دست نیامده؛ به‌طوری‌که ماده تاریک توپولوژیک، تا حدی جنبه نظرورزانه دارد. اما با توجه به تعدّد نامزدهای فرضی‌ای که تاکنون رد شده‌اند، این فرضیه نیز قطعاً ارزش بررسی را دارد. آنچه بالاخص راجع به این ایده، جنبه‌ای هوشمندانه دارد این است ‌که دیگر برای اثبات یا ابطال وجود آن احتیاجی به احداث یک آشکارساز جدید ماده تاریک نیست. آزمایشگاه پیشرفته مورد نیازمان هم‌اینک بر گرد زمین در چرخش است. فقط مانده تحلیل داده‌هایی که عملاً وجود دارند؛ که این کار را هم نویسندگان مقاله شروع کرده‌اند.

منبع:spacemag