طراحی یک آزمایش جدید برای درک بهتر ماده‌ تاریک

آیا ماده‌ی تاریک علاوه بر گرانش، منشاء نیروی ناشناخته‌ی دیگری نیز است؟ تلاش برای شناخت بیشتر ویژگی‌های ماده‌ تاریک، یکی از مهم‌ترین چالش‌های پیش‌روی فیزیک‌جدید و اخترفیزیک است. می‌توان گفت ماده‌ی تاریک یکی از رمزآلودترین معماهایی است، که بخش‌های زیادی از آن، تاکنون درک نشده‌است. پژوهشگران بخشاخترشناسی‌رادیویی‌موسسه‌ی ماکس‌پلانک که در شهر بن آلمان قرار دارد، آزمایش نوینی را طراحی‌کرده‌اند که در آن با استفاده از ستاره‌های پرانرژی نظیر ستاره‌ی نوترونی می‌توان برهم‌کنش ماده‌ی تاریک با ماده‌ی استاندارد را مطالعه کرد. این پژوهش، همچنین باعث شناخت بهتر بعضی محدودیت‌های ماده‌ی تاریک می‌شود، اما اکتشافات با تمرکز برروی کهکشان راه‌ شیری، نوید پیشرفت‌های بیشتری را می‌دهند.

این یافته‌ها در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده‌است.

در حول‌وحوش سال ۱۶۰۰ میلادی، آزمایش‌های متعدد گالیله، او را به‌این نتیجه رساند که در میدان‌های گرانشی، تمام اجسام مستقل از جرم و شکلی که دارند، شتاب یکسانی را تجربه خواهندکرد. آیزاک نیوتن با انجام آزمایش آونگ و تکرار آن با ماده‌های مختلف، به بررسی اصول جهانی سقوط آزاد پرداخت و در نهایت به نتایجی با دقت یک‌هزارم دست‌یافت. درهمین اواخر، با طراحی آزمایشی و پرتاب ماهواره مایکروسکوپ، سقوط آزاد در میدان‌های‌گرانشی‌ تایید شد و درنهایت با دقت یک‌صدم تریلیون، گرانش زمین محاسبه شد.

ماده ی تاریک

چنین آزمایش‌هایی، تنها می‌توانند جهان‌شمول بودن سقوط آزاد در ماده‌های عادی را بررسی کنند. مانند زمین که از ترکیب آهن(۳۲ درصد)، اکسیژن (۳۰ درصد)، سیلسیم(۱۵ درصد) و منیزیم(۱۴ درصد) تشکیل شده‌است. در مقیاس‌های بزرگ، مواد معمولی تنها بخش کوچکی از ماده‌ و انرژی جهان است. این عقیده وجود دارد؛ چیزی که آن را ماده‌ی تاریک می‌نامیم، ۸۰ درصد ماده‌ی جهان‌ما را تشکیل می‌دهد. تا به امروز، ماده‌ی تاریک به‌صورت مستقیم دیده نشده‌است. حضور آن تنها معلول مشاهدات نجومی مختلف غیرمستقیمی مانند چرخش کهکشان‌ها، حرکت خوشه‌های کهکشانی و همگرایی‌گرانشی است، طبیعت حقیقی ماده‌ی تاریک یکی از برجسته‌ترین سوالات بدون‌پاسخ علم‌نوین است. بسیاری از فیزیکدانان، ماده‌ی تاریک را مخلوطی تشکیل‌شده از ذرات زیراتمی کشف‌نشده، می‌دانند!

طبیعت نامعلوم ماده‌ی تاریک سوال مهم دیگری را ایجاد می‌کند؛ آیا گرانش تنها برهم‌کنش دوربُرد، میان ماده‌ی عادی و ماده‌ی تاریک است؟ به زبانی‌دیگر؛ آیا تنها ماده است که انحنای‌ فضا-زمان ناشی از ماده‌ی تاریک را احساس می‌کند، یا نیروی دیگری وجود دارد که ماده را به سوی ماده‌ی تاریک می‌کشد، یا حتی آن را دور می‌کند و جاذبه‌ی میان ماده‌ی عادی و ماده‌ی تاریک را کاهش می‌دهد که این امر به نوعی تناقض در اصل هم‌ارزی، نسبت به‌ماده‌ی تاریک را می‌رساند. این نیروی فرضی، گاهی به عنوان نیروی پنجم نیز نامیده می‌شود.(علاوه بر چهار برهم‌کنش‌اصلی موجود در طبیعت؛ گرانش، الکترومغناطیس، برهم‌کنش ضعیف و برهم‌کنش قوی).

مقاله‌های مرتبط:

امروزه، آزمایش‌های گوناگونی برای کارگذاری محدودیت برروی این نیروی‌پنجم، که خود نشأت گرفته از ماده‌ی تاریک است، وجود دارد. یکی از دقیق‌ترین آزمایش‌ها، استفاده از مدار زمین و ماه و آزمودن آن با دادن شتابی غیرعادی به سمت مرکزکهکشان است. به‌عنوان‌مثال؛ مرکزهاله‌ی کروی ماده‌ی تاریک کهکشان‌ما. دقت‌بالای این آزمایش، به علت استفاده از حسگر‌های لیزری است و با نام آزمایش فاصله‌سنجی لیزری قمری شناخته می‌شود. سازوکار این آزمایش بدین شکل است که با پراش پالس‌های لیزری توسط پس‌بازتابگرهایی که بر روی کره‌ی ماه قرارداده شده‌اند، فاصله تا ماه با دقت سانتی‌متر اندازه‌گیری می‌شود.

لیجینگ شائو؛ پژوهشگر بخش‌اخترشناسی‌رادیویی موسسه‌ی ماکس‌پلانک در شهر بن آلمان و همچنین نویسنده‌ی اول این‌مقاله در ژورنال Physical Review Letters می‌گوید:

تابه‌امروز، هیچ‌کسی آزمایش نیروی‌پنجم را با یک‌شئ خارجی نظیر، ستاره‌ی نوترونی انجام نداده‌است. دودلیل اصلی برای چگونگی ایجاد روشی‌جدید برای آزمودن نیروی‌پنجم، میان ماده‌ی عادی و ماده‌ی تاریک توسط تپ‌اختردوتایی وجود دارد.

وی در ادامه افزود:

در ابتدا، ستاره‌ی نوترونی شامل ماده‌ای است، که در آزمایشگاه قابل ساخت نیست. همچنین چندبرابر متراکم‌تر از هسته‎‌ی اتم است و تقریبا تمام‌اجزایش از نوترون ساخته شده‌اند. علاوه‌براین؛ میدان‌های گرانشی‌عظیمی درون یک‌ستاره‌ی نوترونی وجود دارد، که قدرتش چندمیلیارد برابر قدرت خورشید است و دراصل می‌تواند، برهم‌کنش با ماده‌ی تاریک را تا حدمطلوبی بهبود بخشد.

با اندازه‌گیری زمان‌رسیدن، سیگنال‌های رادیویی تپ‌اختر توسط رادیوتلسکوپ‌ها، می‌توان مدار تپ‌اختردوتایی را با دقت‌بالایی به‌دست‌آورد. اگر دقت اندازه‌گیری زمان‌رسیدن سیگنال‌ها، کمتر از ۱۰۰ نانوثانیه باشد، می‌توان با دقتی بهتر از ۳۰ متر، مدارتپ‌اختردوتایی را اندازه گرفت.

ماده‌ی تاریک

تیم‌پژوهشی برای آزمودن جهان‌شمول‌بودن سقوط آزاد نسبت به ماده‌ی تاریک، یک‌تپ‌اختردوتایی خاص و مناسبی را که در حدود ۳۸۰۰ سال‌نوری با زمین فاصه دارد، انتخاب کرده و آن را PSR J1713+0747 نامیدند. این تپ اختر میلی‌ثانیه‌ای، دوره‌ی چرخشی‌اش ۴.۶ میلی‌ثانیه است و یکی از پایدارترین، چرخنده‌ها در میان تپ‌اخترها است. علاوه‌براین؛ این تپ‌اختر یک‌مدار دایره‌ای ۶۸ روزه است که همراه با کوتوله‌ی سفید(یکی از اجرام آسمانی) است.

درحالی‌که اغلب تپ‌اخترشناسان برای آزمودن نسبیت‌خاص، علاقه‌مند به تپ‌اخترهای‌ دوتایی تنگ و سرعت‌مداری بالا هستند، پژوهشگران امروزه، به‌دنبال تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای هستند که به کندی حرکت کند و در مداری پهن وعریض قرار داشته‌باشد. هرمقدار مدار عریض‌تر باشد، تپ‌اختر واکنش دقیق‌تری نسب به نقض اصل‌جهان‌شمول سقوط‌‌ آزاد نشان خواهدداد. اگر تپ‌اختر تفاوت شتابی، میان ماده‌ی تاریک و کوتوله‌ی سفید همراه احساس کند، در طول زمان تغییرشکلی در مداردوتایی‌اش ایجاد خواهدشد.(به عنوان‌مثال: تغییر در خروج از مرکز)

اگر تپ‌اختر تفاوت شتابی، میان ماده‌ی تاریک و کوتوله‌ی سفید همراه احساس کند، در طول زمان تغییرشکلی در مداردوتایی‌اش ایجاد خواهدشد

نوبرت‌وکس پژوهشگر MPIfR بیان می‌کند:

بیش از بیست‌سال، زمان‌گیری دقیق و منظم توسط افلسبرگ و دیگر رادیوتلسکوپ‌های EPTA و‌ پروژه NANOGrav نشان می‌دهد، که می‌توان بادقت بالایی بیان‌کرد که کوچک‌ترین تغییری در خروج‌ازمرکز مدار رخ نداده‌است. این بدان معناست که یک‌ستاره‌ی نوترونی در دمای‌بالا، تفاوتی در جاذبه‌‌ی ماده‌ی تاریک و ماده‌ی استاندارد احساس نمی‌کند.  

مایکل‌کارمر سرپرست MPIfR و  همچنین رییس بخش‌فیزیک‌بنیادی مرکز اخترشناسی رادیویی ماکس‌پلانک می‌گوید:

برای هرچه‌بهتر انجام‌دادن این آزمون، ما با‌دقت مشغول جست‌وجو برای یافتن یک‌تپ‌اختر مناسب که اندازه‌اش در نزدیکی حداندازه‌‌ای که برای ماده‌ تاریک موردانتظاراست، هستیم. مرکز کهشکانی ایده‌آل‌ترین مکان برای ماست، چرا که افسلبرگ و دیگر تلسکوپ‌های رادیویی جهان به‌عنوان بخشی از پرژوه‌ی ماده‌ی تاریک ما، به‌آن نگاه می‌کنند. هنگامی که ما Square Kilometre Array را در اختیار داشته‌باشیم، می‌توانیم این‌آزمایش‌ها را با دقت بسیاربالایی انجام دهیم!

منبع: زومیت