ترکیب کیهان: سفری شگفت‌انگیز به دنیای ماده تاریک و انرژی تاریک
جهان هستی، مکانی پهناور و شگفت‌انگیز است که ذهن هر بیننده‌ای را به تحیر وامی‌دارد. وقتی ستاره‌شناسان به این می‌اندیشند که این کیهان از چه ساخته شده، اولین چیزی که به ذهن‌شان خطور می‌کند، میلیاردها کهکشانی است که در دل آن جای گرفته‌اند. هر کهکشان، میزبان میلیون‌ها، میلیاردها و حتی تریلیون‌ها ستاره است. بسیاری از این ستارگان نیز سیاره‌هایی را به دور خود می‌چرخانند. علاوه بر این، ابرهایی از گاز و غبار هم در سراسر کیهان پراکنده شده‌اند.
در فضای بین کهکشان‌ها، جایی که به نظر می‌رسد نباید چیز زیادی وجود داشته باشد، ابرهایی از گازهای داغ در برخی مناطق یافت می‌شوند، در حالی که مناطق دیگری تقریباً خالی و تهی هستند. تمام این مواد قابل شناسایی هستند. اما سوال اینجاست: چقدر دشوار است که به کیهان نگاه کنیم و با استفاده از رادیو، مادون قرمز و نجوم اشعه ایکس، مقدار جرم درخشان (ماده‌ای که می‌توانیم ببینیم) را با دقت قابل قبولی تخمین بزنیم؟ با ما همراه باشید تا به این پرسش پاسخ دهیم و سفری به اعماق کیهان را آغاز کنیم.
جستجو برای "ماده" کیهانی: معمای وزن جهان
امروزه، با وجود آشکارسازهای فوق‌العاده حساسی که در اختیار ستاره‌شناسان قرار دارد، پیشرفت‌های چشمگیری در تعیین جرم کل جهان و اجزای تشکیل‌دهنده آن حاصل شده است. اما، مسئله اینجاست: پاسخ‌هایی که به دست می‌آیند، با یکدیگر همخوانی ندارند. آیا روش محاسبه جرم ایراد دارد (که احتمالش کم است) یا اینکه چیز دیگری در کیهان وجود دارد؟ چیزی که نمی‌توانیم ببینیم؟ برای درک این چالش‌ها، لازم است ابتدا با مفهوم جرم کیهان و نحوه اندازه‌گیری آن توسط ستاره‌شناسان آشنا شویم.
اندازه‌گیری جرم کیهان: نگاهی به پس‌زمینه مایکروویو کیهانی
یکی از مهم‌ترین شواهد برای تخمین جرم کیهان، پدیده ای به نام "پس‌زمینه مایکروویو کیهانی" (CMB) است. این پدیده یک مانع فیزیکی نیست، بلکه شرایطی مربوط به اوایل شکل‌گیری جهان است که با استفاده از آشکارسازهای مایکروویو قابل اندازه‌گیری است. CMB به دوران کوتاهی پس از بیگ‌بنگ بازمی‌گردد و در واقع، دمای پس‌زمینه جهان را نشان می‌دهد. آن را به عنوان گرمایی در نظر بگیرید که به طور یکنواخت از تمام جهات قابل تشخیص است. این گرما دقیقا مانند گرمای خورشید یا تابش یک سیاره نیست، بلکه دمای بسیار پایینی است که در 2.7 درجه کلوین اندازه‌گیری می‌شود.
وقتی ستاره‌شناسان این دما را اندازه‌گیری می‌کنند، نوسانات کوچک اما مهمی را در سراسر این "گرمای" پس‌زمینه مشاهده می‌کنند. وجود این پدیده نشان می‌دهد که هندسه جهان اساساً "مسطح" است، به این معنی که انبساط آن تا ابد ادامه خواهد داشت.
اما این "مسطح" بودن چه ارتباطی با تعیین جرم جهان دارد؟ با توجه به اندازه اندازه‌گیری شده جهان، باید جرم و انرژی کافی در آن وجود داشته باشد تا آن را "مسطح" نگه دارد. مشکل اینجاست که وقتی ستاره‌شناسان تمام ماده "معمولی" (مانند ستارگان، کهکشان‌ها و گاز موجود در کیهان) را جمع می‌زنند، تنها حدود 5% از چگالی بحرانی مورد نیاز برای مسطح ماندن جهان را تشکیل می‌دهد!
این بدان معناست که 95 درصد از جهان هنوز شناسایی نشده است. وجود دارد، اما چیست؟ کجاست؟ دانشمندان بر این باورند که این ماده و انرژی گمشده، به شکل "ماده تاریک" و "انرژی تاریک" وجود دارند.
ترکیب جهان هستی: سفری به دنیای ماده و انرژی
جرمی که قادر به دیدن آن هستیم، "ماده باریونی" نامیده می‌شود که شامل سیارات، کهکشان‌ها، ابرهای گازی و خوشه‌ها است. جرمی که نمی‌توانیم ببینیم، "ماده تاریک" نام دارد. همچنین انرژی (نور) قابل اندازه‌گیری نیز وجود دارد؛ و جالب اینجاست که "انرژی تاریک" هم وجود دارد، اما هنوز هیچ‌کس نمی‌داند دقیقا چیست!
بنابراین، جهان از چه چیزی تشکیل شده و سهم هر یک از اجزا چقدر است؟ در ادامه، به بررسی سهم هر یک از اجزای تشکیل‌دهنده جرم در جهان می‌پردازیم.
عناصر سنگین در کیهان: میراث ستارگان
در ابتدا، عناصر سنگین را داریم که تنها حدود 0.03% از جهان را تشکیل می‌دهند. در حدود نیم میلیارد سال پس از تولد جهان، تنها عناصر موجود هیدروژن و هلیوم بودند که به خودی خود سنگین محسوب نمی‌شوند.
اما پس از اینکه ستارگان متولد شدند، زندگی کردند و مردند، جهان با عناصری سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم که در داخل هسته ستارگان "پخته" شده بودند، غنی شد. این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که ستارگان هیدروژن (یا عناصر دیگر) را در هسته خود همجوشی می‌کنند. مرگ ستارگان، این عناصر را از طریق سحابی‌های سیاره‌ای یا انفجارهای ابرنواختری در فضا پراکنده می‌کند. پس از پراکنده شدن در فضا، این عناصر به مواد اولیه‌ای برای ساخت نسل‌های بعدی ستارگان و سیارات تبدیل می‌شوند.
با این حال، این یک فرآیند کند است. حتی پس از گذشت نزدیک به 14 میلیارد سال از خلقت جهان، تنها بخش کوچکی از جرم آن از عناصر سنگین‌تر از هلیوم تشکیل شده است.
نوترینوها: ذرات شبح‌وار کیهان
نوترینوها نیز بخشی از جهان هستند، هرچند که تنها حدود 0.3 درصد آن را تشکیل می‌دهند. این ذرات، در طی فرآیند همجوشی هسته‌ای در هسته ستارگان تولید می‌شوند. نوترینوها ذراتی تقریباً بدون جرم هستند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کنند. جرم بسیار کم و نداشتن بار الکتریکی باعث می‌شود که به جز برخورد مستقیم با هسته اتم‌ها، به راحتی با ماده برهم‌کنش نداشته باشند.
اندازه‌گیری نوترینوها کار آسانی نیست. اما همین اندازه‌گیری‌ها به دانشمندان این امکان را داده است تا تخمین‌های خوبی از نرخ همجوشی هسته‌ای در خورشید و سایر ستارگان، و همچنین تخمینی از کل جمعیت نوترینوها در جهان به دست آورند.
ستارگان: درخشش کم‌فروغ در کیهان پهناور
وقتی علاقه‌مندان به آسمان شب به آن خیره می‌شوند، بیشتر چیزی که می‌بینند ستارگان هستند. آن‌ها حدود 0.4 درصد از جهان را تشکیل می‌دهند. حتی وقتی افراد به نور مرئی ساطع شده از سایر کهکشان‌ها نگاه می‌کنند، باز هم بیشتر چیزی که می‌بینند ستارگان هستند. عجیب به نظر می‌رسد که آن‌ها تنها بخش کوچکی از جهان را تشکیل می‌دهند.
گازها: ماده‌ی غالب قابل اندازه‌گیری در کیهان
چه چیزی فراوان‌تر از ستارگان و نوترینوهاست؟ گازها! آن‌ها حدود 4 درصد از کیهان را تشکیل می‌دهند و فضای بین ستارگان و حتی فضای بین کهکشان‌ها را پر می‌کنند. گازهای بین‌ستاره‌ای، که بیشتر از هیدروژن و هلیوم عنصری آزاد تشکیل شده‌اند، بخش عمده‌ی جرمی را تشکیل می‌دهند که می‌توانیم به طور مستقیم اندازه‌گیری کنیم. این گازها با استفاده از ابزارهایی که به طول موج‌های رادیویی، مادون قرمز و اشعه ایکس حساس هستند، شناسایی می‌شوند.
ماده تاریک: معمای گمشده‌ی کیهان
دومین "ماده" فراوان در جهان، چیزی است که هیچ‌کس آن را ندیده یا به طور مستقیم شناسایی نکرده است. با این حال، تخمین زده می‌شود که حدود 22 درصد از جهان را تشکیل می‌دهد: ماده تاریک. دانشمندان با تجزیه و تحلیل حرکت (چرخش) کهکشان‌ها و همچنین برهم‌کنش کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی، متوجه شده‌اند که گاز و غبار موجود به تنهایی نمی‌توانند ظاهر و حرکات کهکشان‌ها را توضیح دهند. به نظر می‌رسد که 80 درصد از جرم این کهکشان‌ها باید "تاریک" باشد؛ یعنی در هیچ طول موجی از نور (از رادیویی تا گاما) قابل شناسایی نیست. به همین دلیل به این "ماده"، "ماده تاریک" می‌گویند.
هویت این جرم مرموز هنوز ناشناخته است. بهترین گزینه، ماده تاریک سرد است که گمان می‌رود ذره‌ای شبیه به نوترینو، اما با جرم بسیار بیشتر باشد. تصور می‌شود که این ذرات، که اغلب به عنوان ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMPs) شناخته می‌شوند، در اثر برهم‌کنش‌های حرارتی در مراحل اولیه‌ی شکل‌گیری کهکشان‌ها به وجود آمده‌اند. با این حال، تاکنون نتوانسته‌ایم ماده تاریک را به طور مستقیم یا غیرمستقیم شناسایی کنیم، یا آن را در آزمایشگاه تولید کنیم.
انرژی تاریک: نیروی محرکه‌ی ناشناخته‌ی کیهان
فراوان‌ترین "جرم" در جهان، نه ماده تاریک است، نه ستارگان، نه کهکشان‌ها و نه ابرهای گاز و غبار. بلکه چیزی است به نام "انرژی تاریک" که حدود 73 درصد از جهان را تشکیل می‌دهد. در واقع، احتمالاً انرژی تاریک اصلاً جرمی ندارد، که این موضوع، طبقه‌بندی آن به عنوان "جرم" را کمی گیج‌کننده می‌کند.
پس، این انرژی تاریک چیست؟ شاید یک ویژگی بسیار عجیب از خود فضا-زمان باشد، یا شاید یک میدان انرژی توضیح‌داده‌نشده (تاکنون) باشد که کل جهان را در بر گرفته است. یا شاید هیچ‌کدام از این‌ها نباشد. هیچ‌کس نمی‌داند. فقط گذر زمان و جمع‌آوری داده‌های بیشتر می‌تواند حقیقت را آشکار کند.
- نجوم
- علم
