تابه‌حال عبارتی به نام ماده تاریک زمین به گوش‌تان خورده است؟ زمانی که دانشمندان با استفاده از ناوگان ماهواره‌ای GPS شروع به محاسبه دقیق جرم زمین کردند، متوجه شدند این اندازه نسبت به اندازه جرم استاندارد اتحادیه بین‌المللی نجوم فرق دارد و به‌احتمال زیاد، هاله‌ای از مواد تاریک زمین را احاطه کرده است.
این اندیشه که شاید ماده تاریک، زمین را در آغوش خود گرفته، از مشاهده کاوشگرهای فضایی ریشه گرفته است. زمانی که آن‌ها از کنار زمین می‌گذشتند، سرعت‌شان به‌شکل غیرمنتظره‌ای تغییر کرد و این، سرآغازی بود برای شروع تحقیقات بیشتر در این زمینه.
شما چه تعریفی از ماده تاریک زمین دارید؟
می‌دانیم که این بحث احتمالا کمی برایتان عجیب و گیج‌کننده است و شاید به‌راحتی متوجه نشوید. ماده تاریک به نوعی جوهره نادیدنی و اسرارآمیز اطلاق می‌شود که هنوز واضح نیست چند درصد از کیهان را تشکیل داده اما جالب است بدانید که حجم زیادی از هستی را همین ماده در بر گرفته است.
تاکنون آزمایش‌های زیادی برای کشف اسرارهای این پدیده شگرف انجام شده است. برخی از آن‌ها از فضا بودند و برخی هم از زیر زمین. اما انرژی تاریک همچنان غیرقابل مشاهده بود.
براساس محاسبات صورت‌گرفته در دهه 1990 و شبیه‌سازی‌های انجام‌شده در یک دهه اخیر، ماده تاریک شامل جریان‌های ریزی از ذرات می‌شوند که با سرعتی تقریبا یکسان پیرامون کهکشان‌های شبیه راه شیری درحال گردش هستند. این جریان ممکن است بزرگتر از منظومه شمسی باشد.
فرضیه وجود ماده تاریک زمین چگونه شکل گرفت؟
شخصی به نام بن هریس متخصص GPS در کنفرانس اتحادیه ژئوفیزیک آمریکا راجع‌به اندازه‌گیری‌هایی که با استفاده از ناوگان ماهواره‌ای GPS از جرم زمین انجام شد، به تفاوت بین رقم نهایی جرم زمین با جرم رسمی که توسط اتحادیه بین‌المللی نجوم به‌دست آمد اشاره کرد.
بن هریس گفت: «پس‌از بررسی‌های 9 ماهه اطلاعات سیستم‌های ماهواره‌ای، جرم زمین 0.005 تا 0.008درصد بیشتر از محاسبات اتحادیه بین‌المللی است.» او به‌منظور اصلاح ادعای خود افزود: «این تفاوت ممکن است ناشی از خطا در حین جمع‌آوری اطلاعات بوده باشد. اما ازطرف‌دیگر نمی‌توان امکان وجود هاله یا حلقه‌ای از ماده تاریک در اطراف زمین را نادیده گرفت.»
فرضیه وجود ماده تاریک زمین، می‌تواند در همسایگی با سیاره زمین تاثیراتی داشته باشد. طی یک سری پروازهای تحقیقاتی فضاپیماهای مطالعاتی، نوسانات محسوسی در سرعت فضاپیما ردیابی شد. مثلا در ژانویه سال 1998 پرواز یک فضاپیما از کنار زمین نشان داد سرعت آن در حین نزدیک‌شدن به سیاره چیزی حدود 13 میلی‌متر بر ثانیه افزایش پیدا می‌کند.
نظریه پل گوری درباره وجود ماده تاریک زمین
در همان زمان‌هایی که فرضیه‌هایی ازطرف دانشمندان و محققان مطرح می‌شد، عده‌ای می‌گفتند چگونه می‌توان یک چیز نامرئی را که نه برهم‌کنشی دارد و نه نوری بازتاب می‌کند، مورد اندازه‌گیری قرار داد؟ در واقع آن‌ها به‌نوعی منکر وجود این ماده می‌شدند.
پل گوری، دانشجوی دکتری در دانشگاه فناوری سوئین برن گفت: «تشخیص وجود ماده تاریک مثل این است که به پرچم نگاه کنی تا به میزان وزش باد پی ببری. نمی‌توان باد را مشاهده کرد ولی حرکت پرچم نشان می‌دهد که باد وجود دارد و با چه میزان شدتی درحال وزیدن است.»
با این تعاریف، درست است که هنوز تصویر مشخصی از ماده تاریک دیده نشده اما این موضوع مبنی‌بر عدم وجود آن نیست. دلایل زیادی حضور ماده تاریک را اثبات می‌کنند که در عناوین بعدی مقاله، به‌ترتیب آن‌ها را می‌خوانید.
ماده تاریک زمین چه شکلی دارد؟
با اینکه پیش‌تر هم گفتیم نه ماده تاریک و نه انرژی تاریک هیچ‌کدام تابه‌حال به‌طور مستقیم مشاهده نشده‌اند، اما بررسی محققان نشان می‌دهد که وقتی جریان مواد تاریک از سیاره عبور می‌کند، ذرات این جریان فشرده، و به یک رشته فراچگال تبدیل خواهند شد که آن را با نام موی ماده تاریک زمین می‌شناسند.
با اینکه جریانی از مواد عادی قابلیت عبور از زمین را ندارد، اما این مسئله در مورد ماده تاریک صدق نمی‌کند. براساس شبیه‌سازی‌های دکتر «گری پریزو» فیزیکدانی از آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا، گرانش قادر است جریان ماده تاریک زمین را متمرکز و کانونی کند و در نتیجه آن را به یک موی باریک و فشرده تبدیل سازد.
چگال‌ترین بخش ماده تاریک در مو، “ریشه” است. جایی که مو پایان می‌یابد هم “نوک” نام دارد. زمانی که جریان ذرات ماده تاریک از درون هسته زمین عبور می‌کند، کم‌کم ریشه را می‌سازد. ریشه مو حدود یک میلیون کیلومتر دورتر از سطح زمین تشکیل می‌شود. جریان ذرات که از سطح زمین بیرون می‌زنند، نوک مو را در جایی 2برابر دورتر از ریشه می‌سازند.
دکتر گری پریزو می‌گوید: «اگر موفق شویم که مکان دقیق ریشه این موها را پیدا کنیم، می‌توانیم کاوشگرانی را برای تحقیقات بیشتر به آنجا بفرستیم تا بتوانیم گنجی از داده‌ها را درباره ماده تاریک به‌دست بیاوریم.»
در حقیقت بیشتر از 30 سال است که دانشمندان تلاش می‌کنند با کشف مستقیم، درباره ماده تاریک اطلاعات بیشتری به‌دست بیاورند اما همچنان ناموفق بودند. بااین‌حال با توجه به متراکم‌بودن ریشه مو ماده تاریک، دانشمندان همچنان آن را محل جذابی برای جست‌وجو می‌پندارند و سعی دارند با به‌دست‌آوردن اطلاعات بیشتر، کاوشگری را به محل مد نظر بفرستند.
ماهیت ماده تاریک زمین چگونه است؟
با وجود مطالعات فراوان درزمینه کشف رازهای ماده تاریک در اعماق فضا و روی زمین و براساس مشاهده‌های فراوان از میزان جاذبه این ماده، دانشمندان از وجود آن اطمینان حاصل کردند و توانستند مقدار این ماده رازآلود را با دقت نسبتا بالایی اندازه‌گیری کنند.
نظریه‌ای که از سمت دانشمندان مطرح شد، این بود که ماده تاریک سرد، و براساس نامی که به آن اختصاص داده شده تاریک است. این ماده حرکت زیادی ندارد و تاکنون هیچ نور یا تعامل نوری در آن دیده نشده است.
چه چیزی کهکشان و مواد تاریک را در کنار هم نگه داشته است؟
کهکشان شامل ستاره‌ها و سیاره‌های حاصل از مواد معمولی است. در واقع علت شکل‌گیری آن‌ها نوسانات چگالی ماده تاریک است. دراین‌بین، جاذبه همانند یک چسب عمل می‌کند که باعث شده ماده تاریک و ماده عادی در کنار هم قرار بگیرند.
اهمیت وجود ماده تاریک زمین
ماده تاریک در تشکیل ساختارهای کیهانی مشارکت جدی دارد. این ماده نقش پتانسیل پس‌زمینه را برای تجمع ماده معمولی ایفا می‌کند. در بخش قبلی هم به این نکته اشاره کردیم که ماده تاریک مانند یک چسب قوی، زمین و تمام سیاره‌ها و اجرام آسمانی را در شبکه‌ای پیچیده و درهم‌تنیده نگه داشته است و از متلاشی و پرت‌شدن هریک از آن‌ها به سمتی جلوگیری می‌کند.
ویژگی ها و قابلیت های ماده تاریک زمین
در ابتدا گفتیم ماده تاریک به گونه‌ای از ماده اطلاق می‌شود که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان‌شناسی ارائه شده است و به‌نظر می‌رسد که ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشد که از جرم موجود مشاهده‌شده در جهان بیشتر است.
ماده تاریک به‌طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست. این ماده، تاریک نامیده می‌شود چون هیچ‌گونه کنشی با میدان الکترومغناطیسی ندارد. منظور این است که تشعشعات الکترومغناطیسی همچون نور از خود منتشر یا به خود جذب نمی‌کند. به همین دلیل قابل دیدن نیست.
در عوض، وجود ماده تاریک و ویژگی‌های آن را می‌توان به‌طور غیرمستقیم و ازطریق تاثیرات گرانش روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت. در سال 2013 و بر پایه مدل استاندارد کیهان‌شناسی، کل جرم انرژی موجود در جهان کنونی شامل 4.9درصد ماده معمولی، 26.8درصد ماده تاریک و 68.3درصد انرژی تاریک است. یعنی روی‌هم‌رفته، ماده و انرژی تاریک 95.1درصد از کل محتویات جهان را تشکیل می‌دهند.
کهکشان راه شیری و ماده تاریک زمین
اعتقاد عمومی کیهان‌شناسان بر این است که کهکشان راه شیری از یک ابر چرخان کروی خیلی بزرگ از ماده تاریک که با اندکی ماده معمولی آمیخته شده شکل گرفته است. ماده معمولی این ابر کروی تحت‌تاثیر نیروی گرانش شروع به جمع‌شدن و کوچک‌شدن کرد.
ازآنجایی‌که جمع‌شدگی در قطب‌ها نسبت به اطراف استوا سریع‌تر رخ می‌دهد (دلیل این است که در استوا نیروی گریز از مرکز با جاذبه مقابله می‌کند) صفحه نازک مسطح، چند تکه و در نهایت به ستاره تبدیل می‌شود.
در واقع ماده معمولی می‌توانست گرمای خود را پخش کند. این حرارت از انقباض ابر کروی براثر نیروی گرانش جلوگیری می‌کرد. روش ماده معمولی در چنین فرایندی، تابش انرژی گرمایی به‌شکل امواج الکترومغناطیسی یا نور بود.
حالا مهم‌ترین بخش قضیه اینجاست که ماده تاریک نمی‌تواند نوری از خود بازتاب کند و قادر نیست به‌شکل صفحه‌ی مسطح جمع شود. در نتیجه به همان شکلی که هست یعنی ابر کروی، باقی می‌ماند. از این توضیحات متوجه شدید که کهکشان ما به‌شکل قرص مارپیچی از ستارگان است که در ابر کروی از ماده تاریک قرار گرفته‌اند.
بیشتر بخوانید: اقیانوس بزرگتر است یا دریا؟
جمع‌بندی
جهان ما شناور در ماده تاریک زمین است. این ادعا در چند دهه اخیر از سمت دانشمندان و محققان روی کار آمد. ماده تاریک یک جوهره غیرقابل‌دیدن شناخته می‌شود که درصد زیادی از حجم کهکشان را به خود اختصاص داده است. تاکنون صدها آزمایش دراین‌باره صورت گرفته ولی این ماده هنوز به‌طور مستقیم مشاهده نشده است. پس چگونه دانشمندان به وجود آن پی بردند؟
فرضیه وجود ماده تاریک ازآنجایی شکل گرفت که اندازه‌گیری ناوگان ماهواره‌ای GPS از جرم زمین با جرم رسمی ارائه‌شده توسط اتحادیه بین‌المللی نجومی متفاوت بود. ابتدا این تفاوت را به احتمال خطا ربط دادند اما بعد، امکان وجود هاله‌ای را در اطراف زمین در نظر گرفتند. این درصورتی بود که وقتی یک فضاپیما از کنار زمین عبور می‌کرد، تغییر محسوسی در سرعت او رخ می‌داد. دانشمندان هم نتیجه گرفتند که دلیل این اتفاق فقط می‌تواند ماده‌ای باشد که اگرچه قابل دیدن نیست اما وجود آن حتمی است.
