ماده تاریک چیست؟

بیشتر انرژی جرم ، حدود 95 درصد، در جهان «تاریک» است. منظور ما از تاریکی این است که هیچ شکلی از تابش الکترومغناطیسی ساطع نمی کند . وجود ماده تاریک به طور غیر مستقیم از اثر گرانشی آن استنباط می شود. مشاهدات حرکات ستارگان و گازها در کهکشان ها ، سرعت شعاعی کهکشان های خوشه ای ، خواص گاز داغ خوشه ها، و عدسی گرانشی کهکشان های دوردست و پس زمینه توسط خوشه های کهکشانی پیش زمینههمه نشان می دهند که مقادیر زیادی ماده تاریک وجود دارد. برای مثال، سرعت‌های شعاعی مشاهده‌شده کهکشان‌های خوشه‌ای، توده‌های خوشه‌ای مبتنی بر دینامیک را نشان می‌دهند که فاکتورهای 10 یا بیشتر از آن چیزی است که با جمع کردن محتوای توده‌های مشاهده‌شده (ستاره‌ها، گاز، غبار ) به دست می‌آید.

ماده تاریک 23 درصد از کل چگالی جرم-انرژی جهان را تشکیل می دهد. عامل اصلی انرژی تاریک است و مقدار کمی به دلیل اتم ها یا ماده باریونی است .

مقایسه ساختار خوشه کهکشانی و ابرخوشه با شبیه‌سازی‌های محاسباتی جسم N نیز نیاز به نوعی ماده تاریک را نشان می‌دهد. ماده تاریک همچنین برای گرانش لازم است تا نوسانات کوچک مشاهده شده در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را تقویت کند تا ساختار مقیاس بزرگی را که امروزه مشاهده می‌کنیم، تشکیل دهد.

نامزدهای ماده تاریک یا باریونیک یا غیرباریونی هستند یا مخلوطی از هر دو. اشکال غیرباریونی معمولاً به دو دسته تقسیم می شوند – ماده تاریک داغ ( HDM ) و ماده تاریک سرد ( CDM ). HDM به ذره ای با جرم نزدیک به صفر نیاز دارد (نوترینوها نمونه اصلی هستند، آکسیون ها یا ذرات فوق متقارن موارد دیگر هستند). نظریه نسبیت خاص مستلزم آن است که ذرات تقریباً بدون جرم با سرعت بسیار نزدیک به c یعنی سرعت نور حرکت کنند. با این حال HDMساختار بزرگ مقیاس کهکشان های مشاهده شده در جهان را به طور کامل توضیح نمی دهد. با استفاده از نوترینوها به عنوان مثال، سرعت های بسیار نسبیتی آنها می تواند نوسانات چگالی ماده را در حین انتشار در جهان هموار کند. آنها در تشکیل ساختارهای بسیار بزرگ مانند ابرخوشه ها، اما نه کوچکتر، کهکشان ها خوب هستند.

CDM به اجسامی به اندازه کافی پرجرم نیاز دارد که با سرعت های زیر نسبیتی حرکت کنند. مقایسه بین ساختار در مقیاس بزرگ مشاهده شده و شبیه‌سازی‌های N-body نشان می‌دهد که CDM جزء اصلی، اگر نه کل، ماده تاریک باشد. یکی از کاندیدای اصلی CDM ، WIMP (ذرات عظیم با تعامل ضعیف) است. جستجوی این ذرات شامل تلاش برای شناسایی مستقیم توسط آشکارسازهای حساس و تولید توسط شتاب دهنده های ذرات است.

چندین تیم در تلاش برای شناسایی WIMP ها با آشکارسازهای فوق حساس و عمیق زیرزمینی هستند. برخورد بین WIMP و اتم باعث می شود WIMP تغییر جهت دهد و کند شود، در حالی که اتم پس می زند. این پس زدگی را می توان به روش های مختلفی تشخیص داد. در نیمه هادی ها و برخی مایعات و گازها، بار یونیزاسیون آزاد شده توسط اتم در حال پس زدن را می توان اندازه گیری کرد.

کارهای زیادی برای تعیین اینکه آیا ماده باریونی در جهان وجود ندارد یا خیر، انجام شده است. MACHO (اجرای هاله فشرده عظیم ) کاندیدهای ماده تاریک هستند که از اجرام متراکم مانند سیاهچاله ها ، ستاره های نوترونی ، کوتوله های سفید ، ستارگان بسیار کم نور، یا اجرام غیر درخشان مانند سیارات تشکیل شده اند . جستجو برای این موارد شامل استفاده از میکرولنز گرانشی برای دیدن تأثیر این اجرام در کهکشان ما بر روی ستارگان پس‌زمینه است. بسیاری از برنامه های مشاهده مستمر این کار را انجام می دهند. پروژه MACHO در رصدخانه کوه استروملو، میدان های ستاره ای را در کهکشان ما و به سمت کهکشان رصد کردابر ماژلانی بزرگ به طور خلاصه، در حالی که آنها رویدادهای میکرولنزینگ را شناسایی کردند، تعداد رویدادها برای نشان دادن اینکه جمعیت MACHO از اجرام تاریک بین 0.1 تا 0.9 _M⊙ می تواند بیش از 20٪ به اختلاف جرم شناخته شده در هاله کهکشان اضافه کند، کافی نبود. اگر یک جزء باریونی در ماده تاریک وجود داشته باشد، به نظر می رسد بسیار کوچک باشد. این نتیجه توسط سایر برنامه های میکرولنز مانند OGLE و EROS پشتیبانی می شود.

محصولات فروپاشی WIMP ها ممکن است توسط برخورد دهنده هادرون بزرگ ( LHC ) شناسایی شوند. انتظار نمی رود که LHC WIMP ها را شناسایی کند، اما می تواند محصولات پوسیده آنها را که SuperWIMP نامیده می شوند، شناسایی کند. جالب است که نجوم ، نه فیزیک ذرات، ممکن است بتواند «مسئله جرم» خود را حل کند. ذرات ماده تاریک در برخی مدل ها می توانند ذرات ثانویه را از بین ببرند و تولید کنند. دو WIMP با جرمی بین 50 تا 200 گیگا ولت می توانند دو فوتون پرتو گاما را از بین ببرند و تولید کنند که انرژی هر کدام برابر با جرم یک WIMP است. تلسکوپ های پرتو گاما ، مانند فضای پرتو گاما فرمی تلسکوپ ، مرکز کهکشانی را رصد می کند (جایی که بالاترین چگالی ماده تاریک نزدیک باید وجود داشته باشد) و در جستجوی نشانه های انرژی پرتو گاما هستند.

جایگزین هایی برای ماده تاریک وجود دارد. تغییری از گرانش، MOND (دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده) ادعا می‌کند که بسیاری از نشانه‌های رصدی ذکر شده در بالا را توضیح می‌دهد. در MOND پیشنهاد شده است که برای شتاب گرانشی بسیار کم، قانون نیوتن برای نیروی گرانش ممکن است شکسته شود. MOND نشان می دهد که شتاب به طور خطی با نیرو در مقادیر پایین متناسب نیست.