فرضیه ماده تاریک کامل نیست اما فرضیه های جایگزین آن بدترند! - وبلاگ پوشه

به گزارش وبلاگ پوشه، شاید شما فرضیه ماده تاریک، ذره ای فرضی که بیشتر جرم کیهان را تشکیل می دهد، نپسندید. این هم درست است که این فرضیه کاستی هایی دارد و البته، هنوز هیچ ذره ای از این ماده کشف نشده است، اما حقیقت این است که فرضیه های جایگزین ماده تاریک، بسیار بدتر هستند.

در دنیا ما رازهای غیرقابل شرح بسیاری وجود دارد که بخش زیادی از آن ها به گرانش مربوط می گردد. با آنالیز حرکت ستاره ها حول مرکز کهکشان ها درمی یابیم که اگر فقط گرانش ماده مرئی آن ها را در مدارهای فعلی نگه می داشت، باید بسیار آهسته تر حرکت می کردند.

کهکشان هایی هم که اطراف خوشه های کهکشانی می گردند، با توجه به مقدار جرم قابل مشاهده در خوشه ها، حرکت بسیار سریعی دارند. از سوی دیگر همین خوشه ها، نور پس زمینه را بیش از توان ماده قابل مشاهده خم می نمایند. حتی ساختارهای بزرگ مقیاس در دنیا ما، بدون درنظر گرفتن یک منبع جرم اضافی، باید بسیار کندتر تشکیل می شدند.

در حال حاضر برترین فرضیه ای که دانشمندان برای شرح همه این مشاهدات متفاوت دارند، این است که نوع تازهی از ذره، به نام ماده تاریک در کیهان وجود دارد که مسؤول این چیدمان کیهانی است. این ذره تقریبا به طور کامل نامرئی است و به همین علت تاریک نام گرفته است. از سویی برهم کنشی با ماده معمولی ندارد یا به ندرت برهم کنش دارد.

این ایده آن قدر هم که به نظر می رسد، دور از فکر نیست. نوترینوها ذراتی هستند که دقیقا چنین خصوصیاتی دارند. آن ها جرم کافی برای شرح ماده تاریک ندارند، اما نشان می دهند که چنین ذراتی می توانند وجود داشته باشند.

با این وجود فرضیه ماده تاریک (Dark Matter) کامل نیست. شبیه سازی های رایانه ای از رشد کهکشان ها، نشان می دهند که کهکشان های تحت سلطه ماده تاریک باید چگالی فوق العاده بالایی در مرکز خود داشته باشند. مشاهدات کهکشان های واقعی هم چگالی بالاتری را در هسته های آن ها نشان می دهد، اما به مقدار ای که شبیه سازی ها پیش بینی می نمایند، نیست.

بعلاوه، شبیه سازی های ماده تاریک در زمان تکامل کیهان پیش بینی می نمایند که هر کهکشانی باید صدها قمر کهکشانی کوچک تر داشته باشد، در حالی که مشاهدات این تعداد را نشان نمی دهند.

فرضیه ماند (MOND)

با توجه به اینکه فرضیه ماده تاریک کامل نیست و هیچ مدرک مستقیمی برای وجود ذرات این فرضیه نداریم، می توان گزینه های دیگری را هم عنوان کرد.

یکی از این گزینه ها در دهه 1970 میلادی در کنار ایده اصلی ماده تاریک و زمانی معرفی گردید که ستاره شناس ورا روبین (Vera Rubin) برای اولین بار مشکل حرکت بیش از حد سریع ستارگان در کهکشان ها را کشف کرد.

اما فرضیه جایگزین به جای افزودن یک عنصر تازه مثل ماده تاریک به کیهان، با تغییر شیوه عملکرد گرانش در مقیاس کهکشانی، حرکت ها را شرح می دهد. این فرضیه دینامیک نیوتنی اصلاح شده (Modified Newtonian Dynamics) یا ماند (MOND) نام گرفته است. هرچند این نام برای دیگر نظریه های برگرفته شده از این ایده اصلی هم به کار می رود.

فرضیه MOND بیان می نماید که در مقیاس های سیاره ای یا ابعاد منظومه شمسی، گرانش نیوتنی به خوبی کار می نماید. البته به جز مواردی که به محاسبات دقیق گرانش احتیاج است و به وسیله نسبیت عام شرح داده می گردد. اما به محض اینکه به مقیاس بزرگ تری بروید، رابطه آشنای قانون دوم نیوتن (F=ma)، به طور کامل اعمال نمی گردد و رابطه نیرو و شتاب از قانون متفاوتی پیروی می نماید.

تحت فرضیه MOND، احتیاجی به وجود ذره اضافی برای شرح رصدها وجود ندارد و فقط یک تغییر جزئی در نیروی گرانش کافی است. از طرفی چون این تغییر گرانش تحت MOND کاملا برای شرح حرکت ستارگان در کهکشان ها تعریف شده است، طبیعتا این کار را به خوبی انجام می دهد.

این فرضیه بعلاوه بر خلاف فرضیه ماده تاریک، به شکل گیری بیش از حد قمرهای کهکشانی و هسته های کهکشانی بسیار چگال احتیاج ندارد.

نقص بزرگ

با این وجود MOND هم اشکالات عمده ای دارد. تغییراتی که برای شرح حرکات ستارگان در روابط گرانشی صورت گرفته است، در شرح حرکت کهکشان ها در خوشه ها و لنز گرانشی نور پس زمینه نقص دارند.

علاوه بر این، در حالی که همه نظریه های مدرن فیزیک باید با نسبیت خاص سازگار باشند، MOND یک نظریه کاملا نسبیتی نیست. یک اصلاح روی MOND نظریه ای است که TeVeS نام دارد و می تواند با نسبیت عام رقابت کند اما باز هم کمبودهای زیادی دارد.

مدل های مبتنی بر گرانش اصلاح شده، در شرح رشد ساختارهای کیهانی، ویژگی های پس زمینه مایکروویو کیهانی و موارد دیگر مسائل اساسی دارند، در حالی که ماده تاریک در شرح همه این ها به خوبی جواب می دهد.

هیچ نظریه ای بر پایه MOND وجود ندارد که بتواند تک تک مشاهدات را به خوبی ماده تاریک شرح دهد. همه این نوع نظریه ها، حداقل در یک آزمون رد می شوند.

برای نمونه در حالی که MOND ممکن است نمودارهای چرخش کهکشان ها را به دقت شرح دهد، اما مشاهدات کافی وجود دارد که نشان می دهد ما برای پایدار بودن کهکشان ها و در مجموع بودن در کیهان، همچنان به ماده تاریک احتیاج داریم.

بنابراین هرچند فرضیه ماده تاریک کامل نیست اما فرضیه علمی بهتری هم وجود ندارد. هنگام ارزیابی فرضیه های رقیب ماده تاریک، دانشمندان نمی توانند فقط به احساس خود تکیه نمایند یا فرضیه ای را انتخاب نمایند که جالب تر و ساده تر به نظر می رسد، بلکه باید دید که شواهد چه چیزی را نشان می دهند.

تقریبا در 50 سال گذشته، هیچ کس نظریه MOND-مانندی ارائه نکرده است که بتواند اطلاعات فراوانی را که در خصوص دنیا داریم، شرح دهد. این نشان دهنده غلط بودن MOND نیست، اما آن را جایگزین بسیار ضعیف تری نسبت به فرضیه ماده تاریک می نماید.

عکس کاور: ابر ماژلانی کوچک، یکی از کهکشان های قمر راه شیری و توزیع ماده تاریک آن در یک نیمه، که به صورت گرافیکی نشان داده شده است.

Credit: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University

منبع: Space