ماده و انرژی تاریک
دکتر بیژن باران
پس از 400 سال رصد آسمان اکنون 95% کیهان ناشناخته است. اکنون با محاسبات و مشاهدات نتیجه شده کیهان 2بخش است: 1- دیدنی یعنی جرم/ انرژی که نور داشته؛ یا نور را بازتاب می دهد. 2-تاریک یعنی نور و بازتاب آن را نداشته؛ ولی گرانش دارد. جرم محاسبه شده کیهان از جرم دیدنی آن بیشتر است؛ با شواهد دیگر نتیجه گرفته شده که ماده تاریک وجود دارد. جهان 95% تاریک است که بشر در سده 21 برای شناسایی آن ابزارسازی می کند.
انرژی مریی جنبشی و پتانسیل هم برای محاسبات و مشاهدات کیهان کافی نبوده؛ لذا انرژی تاریک گسترش کهکشانها را ممکن می کند. کیهان پر از کهکشانها مانند کیک کشمشی در آون/ تنور است که با پف/ ری کردن، کشمشها از هم دور شده؛ فشار بر یک کشمش جای بقیه را تغییر می دهد. نیز وزن کیک با فعل و انفعالات درون و بیرون تغییر می کند.
رئوس سده 21 مدل استاندارد کیهانشناسی ماده مریی و تاریک، انرژی مریی و تاریک، مهبانگ، سیاهچاله، کهکشانها، ابزار و نظریه ها، امواج خلاصه می شوند. مدل استاندارد کیهانشناسی مهبانگ با َابَر تقارن در مدل استاندارد ذرات با پیش بینی 24 ذره نو با چرخش مخالف شاید برای ماده و انرژی تاریک بکار روند.
این مدل بسیاری مشاهدات مانند پیدایش کهکشانها و اتمها، ماده تاریک درخوشه های کهکشانی، انرژی تاریک در گسترش کیهان را توجیه کرده؛ نظریه تورم برای توضیح یکنواختی کیهان/ یونیورس و چندکیهان/ مولتیورس بکار می رود. این مدل از کجا آمدن، چیستی، ذات ماده و انرژی تاریک را توضیح نمی دهد.
پژوهشهای علمی سده 21 به 3خصیصه نهادهایی با انباشت دانش، ثروت ملی فراوان، عدم تبعیض ملیتی برای دانش پژوهان نیاز دارند. لذا جوایز نوبل به دانشمندان مقیم کشورهای غربی با این 3خصیصه می رسد. ابزارهای جوی هم مسافتها هم زمانهای دور را رصد می کنند. تلسکوپ هابل کهکشانهای جدید را دید؛ حوادث گذشته را تا آغاز کیهان رصد کرد. فضانوردان آنرا تعمیر می کنند. پس جهان دیدنی با تلسکوپ، میکروسکوپ، چشم فقط 5% کیهان است.
اصول و ابزار فیزیک حاکم بر ماده مریی در 5% کیهان است. آیا با این اصول و ابزار 95% ماده و انرژی تاریک/ نامریی را می توان دریافت؟ آیا اصول فیزیک ماده تاریک با اصول ماده مریی یکی اند؟ ماده دیدنی در کهکشانها در فضا پخش است. پس کیهان از چه ساخته شده؛ سرنوشتش چیست؟ در باره ماده مریی و نامریی محاسباتی از داده های رصدی، معادلات نجوم، اصول فیزیک بدست آمده اند. این اعداد با کمی اختلاف ولی نزدیک بهم اند.
چگالی کریتیکال نسبت جرم به انرژی در کیهان می باشد. بنا به چگالی کیهان می تواند منحنی مثبت، بسته، بیضوی با چگالی بیشتر؛ منحنی منفی، باز، شلجمی یا چگالی کمتر؛ منحنی صفر، پخت، بشقابی با چگالی کریتیکال/ متوسط باشد. انحنای آن نزدیک صفر بوده؛ یعنی کیهان پخت است. زیرا تابش میکرو ویو کیهان یکنواخت است. چگالی جرم یا انرژی کیهان محاسبه شده؛ کمتر از چگالی کریتکال است. زیرا ماده/ انرژی تاریک باید بحساب آید.
در جهان ماده دیدنی 4% یا 5 % است که نور می دهد؛ 30% یا 23% یا 27% نور نمی دهد ولی گرانش داشته؛ یعنی ماده تاریک است. انرژی تاریک هم 68% یا 65% یا 73% است که گرانش نداشته؛ با نیروی دفعی کیهان را می گستراند. ماده تاریک نادیدنی، غیرمستقیم را با اثرات گرانشی آن اندازه می گیرند. آیا نوترینو ماده تاریک است؟ نوترینو لخته نشده؛ تند رفته؛ از جسم انسان رد می شود.
ماده تاریک اثر غبار کیهانی و ذرات مانده از انفجارات است. اگر دیده نمی شود؛ چگونه می توان گفت وجود دارد؟ کهکشان باندازه کافی جرم دیدنی نداشته تا در خوشه بماند. جرم اضافی که می خواهد از ماده تاریک می آید. با اندازه گیری تغییر تصویر کهکشان، ماده تاریک “وزن” شده که 90% جرم کیهان می باشد. جاذبه نتیجه گرانش جرم دور سیاهچاله ها، ستارگان، سیارات بزرگ، ماده بین ساختارهای خوشه ای غولین در کیهان است. ولی نیروی رانش/ دفعی هم کیهان را می گستراند.
ماده تاریک وجود دارد؛ ولی چیست؟ با آن گرانش موجود در کیهان را می توان توضیح داد. اگر ذرات تاریک ریز یا درشت باشند؛ آنگاه ماده تاریک داغ یا سرد است. ماده تاریک سرد حرکت زیاد نداشته؛ با گرانش جذب می شود. لذا برای توضیح پیدایش کهکشانها بهتر است. داغ برای توضیح منشاء خوشه ها و ابَرخوشه بهتر است. کیهان مخلوطی از ماده تاریک داغ و سرد دارد.
ماده تاریک مانند باد است که دیده نمی شود؛ ولی اثر گرانشی آن در کیهان حس می شود. ماده تاریک با جاذبه ستارگان کیهان را بهم می چسباند. ابزار آشکارگر ماده تاریک از ماده معمولی ساخته شده که ماده تاریک از آن گذشته؛ تاکنون اندازه گیری مستقیم نشده. دلایل زیر در گرانش مشترکند که صفت ماده تاریک است؛ روی محیطش اثر دارد.
حجم فضا 80% ماده تاریک است. چون ماده تاریک در زمین هست؛ نهادهای پژوهشی برای ضبط آن آزمون انجام می دهند. زنون عظیم زیرزمینی LUX بلک هیلز، داکوتای جنوبی، با آشکارگر/ دیتکتورها برای ضبط آن فعالیت دارد. در چرخش 2گانه مانند 2قلوی LMC P3 خورشید– سیاهچاله یا ستاره نوترونی پرتو گاما ساطع می شود. آنها 163 هزار سال نوری از زمین دورند. از ماده تاریک در این ساختارهای غولین پرتو گاما تولید می شود. بیشترین انرژی در موج نور را گاما دارد که اکنون در کیهان هم یافت می شود.
برای وجود ماده تاریک 5 دلیل بقرار زیر اند: 1- تفاوت بین جرم ناشی از نور و جرم ناشی از گرانش در معادله انرژی جنبشی و پتانسیل زیاد است؛ یعنی ماده تاریک هم وجود دارد. 2-سرعت ستارگان نزدیک به مرکز کهکشان مساوی با چرخش ستارگان بیرونی اند؛ زیرا ماده تاریک/ هاله در مرکز از سرعت ستارگان درونی می کاهد.
3- تابش زمینه کیهان بیانگر 2 نیروی گرانش جذب و فشار بیرونی دفع به نوسانات و خروج نور/ فوتون از ماده منجر می شود که بخاطر ماده تاریک این تابش را لخته ای با چگالی زیاد نه هموار با چگالی یکسان می کند. این نوسانات با ریاضیات پیش بینی پذیرند. 4- تصادم 2 خوشه کهکشانی منجر به فرستادن پرتو ایکس با غلظت بیشتر و عدسیگی ناشی از گرانش شد. در چرخش کهکشان هاله بدور آن دیده می شود؛ ولی در خوشه و عدسی گرانشی، عمده ماده تاریک بین کهکشانها پخش شده، دیده نمی شود.
چه چیز قوی می تواند نور کهکشان را منگنه/ فشرده کند؟ گاهی گرانش جرمی سترگ چون عدسی تصویر کهکشان را دراز یا پخت می کند. گاهی هم جرم نادیده/ ماده تاریک با عدسیگی Lensing شعاع نور را خم کرده؛ تصویر کهکشان را مخدوش می کند. ماده تاریک کمتر از ماده مریی اندرکنش/ اینتراکشن با محیط داشته؛ در کیهان نور را خم کرده؛ منجر به فرستادن پرتو ایکس می شود. 5-ساختار ابعاد بزرگ مانند خوشه کهکشان ناشی از عدم برخورد ماده تاریک با ماده و نور است که آنها را در خود گداخته دیدنی می کند.
دلیل 2 شکافته می شود. بیشتر نور یک کهکشان از مرکزش یعنی بیشترین حجم ماده به زمین می رسد. ستاره های پیرامونی بدور کانون و نامرتب می چرخند. اگر گرانش کهکشانها را به چرخش در می آورد؛ باید ستارگان پیرامونی کندتر از ستارگان نزدیک به مرکز بچرخند. ولی در کهکشان ستارگان پیرامونی و درونی با سرعت برابر می چرخند. چرا؟
در حرکت کپلری منظومه شمسی، سیارات نزدیک خورشید از سیارات بیرونی تندتر می چرخند. اگر فقط گرانش علت چرخش است؛ باید یک هاله خیلی سنگین مادی مانند عسل بدور مرکز کهکشان باشد ؛ تا از سرعت ستارگان نزدیک به مرکز بکاهد. ولی این هاله دیده نمی شود؛ زیرا از ماده تاریک ساخته شده.
انرژی تاریک علت گسترش کیهان است که مقدار آن ثابت است. زیرا با پیدایش فضای جدید، انرژی تاریک جدید هم آفریده می شود. انرژی 2نوع است: جنبشی یک جسم و پتانسیل بین 2 نقطه متفاوت است. آیا انرژی تاریک هم این 2گونه است؟ علت شتاب کیهان چیست؟ تابش زمینه کیهانی بسیار یکنواخت و رقیق است که با نیروهای اصلی بجز گرانش اندرکنش دارد. واحد انرژی ژول یعنی واحد بحسب کیلوگرم ضربدر مربع متر تقسیم بر مربع ثانیه است. انرژی تاریک در کیهان 1 بر میلیارد ژول در متر مکعب است. گسترش کیهان فضا را می آفریند؛ چون با مهبانگ زمان و فضا آفریده شدند.
برای وجود انرژی تاریک 5 دلیل بقرار زیر اند: 1- شیفت قرمز ناشی از گسترش شتابنده کیهان در فضای پخت است. این گسترش از فشار منفی در تقابل با گرانش جرم است. 2- فضا با فشار منفی/ دفع برای گسترش تا 68% انرژی کل کیهان مریی پر می کند. 3- با پیدایش ساختارهای غولین خوشه ای و گروه کهکشانها چگالی انرژی تاریک ثابت می ماند. چگالی نزدیک به 10 بقوه 30- گرم/ مکعب سانتیمتر است. 4- مستقیم مشاهده نشده؛ 9میلیارد سال قدمت دارد. 5- فوتونهای ناشی از گسترش کیهان در تابش موج میکرو زمینه کیهانی CMBR اند. ویکیپیدیا/ انرژی تاریک
ژورژ مایتر 1927 گفت: کیهان گسترنده کنونی را می توان تا آغاز آن پی گرفت. ساختار کیهان با آغاز زمان مهبانگ، گسترش شتابان فضا، تابش زمینه کیهانی، تکنیگی یعنی انرژی بینهایت مانده از پیدایش کهکشانها یا تصادم جرمهای تاریک روشن شد. محاسبات نجومی در گام اول ساده اند؛ بعد با رایانه، مشاهدات، قیاس و تکرار دقیقتر می شوند.
شمار ستارگان = نور خروجی کهکشان/ نور متوسط ستاره. جرم کهکشان = شمار ستارگان ضربدر متوسط جرم ستاره. ستاره مانند چراغ ماشین نزدیکتر پرنور تر است. با روش هابل شمار کهکشانها به 100 میلیارد و هر کدام با 100 میلیارد ستاره تخمین زده شد. او 2کهکشان راه شیری و آندرومدا را بررسی کرد.
برای وجود مهبانگ دلایل بقرار زیر اند: 1-کشف مستقیم انفجار اولیه در فضا در 1964 و در 1965 با “تابش موج میکرو زمینه کیهانی” با پرتو ایکس و تکنیگی در فضا دلیلی برای رخداد مهبانگ بود. زیرا در این نظریه این نوع پرتو پیش بینی شده بود. 2-آزمونگر موج میکرو همه سویه ویلکنسون WMAP تخمین زد: 72.8% انرژی تاریک یا 3چهارم کیهان، 22.7% ماده تاریک، 4.5% ماده معمولی اند.
3- متغیرهای مهبانگ چگالی، نسبت ماده باریونی به ناباریونی، ترکیبات کیهان اند. دمای کیهان با پیدایش کهکشانها متغیر است؛ عمر کیهان با 13.7 میلیارد سال بینهایت نیست. 4- شاید تصادم سیاهچاله ها در انفجار اولیه بود که با ماده و انرژی فضا و زمان پدید آمدند. 5- جدیدا اندازه گیری شیفت قرمز َابَر نواختر/ سوپر نووا نشان داد: کیهان گسترش شتابنده بخاطر مهبانگ داشته که به وجود انرژی تاریک ربط دارد.
مدل استاندارد کیهانشناسی سده 20 برای مهبانگ بقرار زیر است. در 1929 شیفت قرمز کهکشانی توضیح داده شد: کهکشانها از هم می گریزند. آنها از یک مرکز آمده؛ مهبانگ را ثابت می کنند. این تابش کیهانی قابل اندازه گیری است؛ یک پیش‌بینی بجا مانده و بهترین شاهد مهبانگ است. عالم نخستین پلاسمای داغی از فوتون، الکترون و باریون بود. پلاسما گاز یونیزه یا یونهای مثبت و الکترونهای آزاد است که در دمای زیاد ستارگان و نیروگاه همجوش هسته ای است.
پیدایش کیهان با مهبانگ رخ داد که علت گسترش کیهان است. مهبانگ یعنی تمام ماده و انرژی کیهان در حجمی کوچک و دمای زیاد به انفجار در آمد. در دمای زیاد ساختار منظومه اتم فرو ریخته؛ فضای الکترونها با هسته ناپدید شده؛ جرم ماده به بینهایت می گراید. در 10 بقوه 36- ثانیه در دمای 10 بقوه 27 درجه سانتیگراد در روند تشکیل ذرات داخل اتم/ ساباتمیک، اتمها، هیدروژن و عناصر سبک، تابش موج میکرو زمینه کیهانی، ساختارهای غول پیکر پویا پیدا شدند.
با انبساط جهان و پایین‌آمدن دمای آن، الکترون با پروتون ترکیب شده؛ اتم هیدروژن را ساخت. ابرهای غول پیکر با عناصر آغازین که با گرانش/ جذبه بهم چسبیده بودند؛ با رانش/ دفع ستارگان و کهکشانها را پدید آوردند. 300 هزار سال بعد، اتمهای پایدار در 3000 درجه سانتیگراد پیدا شده که مرز رصد از زمین اند. در 500 میلیون تا 1 میلیارد سال بعد کهکشانها در 253- درجه سانتیگراد پیدا شدند. https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang
پس عمر جهان 13.7 میلیارد سال پس از انفجار اولیه، با دمای 270- درجه سانتیگراد کیهان مریی برآورد می شود. روند انفجار با پراش ماده و انرژی بهمه سو، گسترش کیهان از یک وضع با چگالی زیاد و دمای زیاد به وضع سرد یعنی کیهان کنونی، منهای 270 درجه یا زیر صفر، رسید.
لاپلاس در قرن 18 سیاهچاله را نام برد. در دهه 1960 با پیدایش ستاره های نوترونی با نسبیت عام آینشتاین این پدیده مدلل شد. جرم فشرده فضازمان را خمانده/ دفرم کرده تا سیاهچاله بدون نور پدید آید. مرکز هر کهکشان یک سیاهچاله است که بازوهای کهکشان بدور آن می چرخند. در 11 فوریه و 15ژوئن 2016 امواج گرانشی از تصادم 2 سیاهچاله ضبط شدند.
آیا سیاهچاله منجر به مهبانگ شد؟ سیاهچاله منطقه ای از فضازمان با گرانش قوی بخاطر نبود فضای خالی الکترونها با هسته است که هیچ نوری از آن ساطع نمی شود. در حرارت زیاد الکترون و پروتون بهم چسبیده؛ فوتونها آزادند. سیاهچاله در فضا همه چیز را در خود می کشد. گرچه سیاهچاله نامریی است؛ ولی اثر آن بر پیرامونش را می توان دید. حتی نور هم از آن گریزی ندارد؛ ولی هاوکینگ مطرح کرد که پرتوهایی از آن به بیرون نشت می کنند.
سیاهچاله یک گوی/ کره با مرکز بینهایت جرم تکینگی، شعاع، جدار “افق رویدادی” با پرتو هاوکنیگ است که با 3 صفت جرم، بار/ شارژ، تکانه زاویه‌ای تبیین می شود. شعاع مرکز تا افق رویداد در معادله تکینه شده؛ برخی اجزای آن مقدار بینهایت می گیرند. تکینگی تقاطعاتی در فضا با اندازه گیری و معادلات ریاضی فضا است که متغیرها مانند جرم، سرعت، دما بینهایت اند. این تقاطعات اطلاعات در باره پیدایش، میرش، 2پارگی، تصادم اجرام سماوی را در خود داشته که سوار بر پرتو زمینه کیهانی با تلسکوپ اندازه گیری می شوند.
برای وجود سیاهچاله دلایل بقرار زیر اند: 1-کهکشان راه شیری سیاهچاله ای در مرکز دارد که با بررسی سرعت سحابه گازی نزدیک به مرکز آن ثابت شد. چند کهکشان دیگر از جمله NGC 4258 و بیضوی M87 در مرکزشان سیاهچاله رصد شده؛ زیرا جذب سحابه بوسیله مرکز امواج رادیویی به فضا فرستاده؛ ضبطگرهای زمین آنها را می گیرند. 2- ستاره S2 در مرکز کهکشان راه شیری بدور سیاهچاله آن مانند سیاره نپتون با 4برابر فاصله می چرخد.
3- دوگانه جفت سیاهچاله با ستاره اشعه ایکس می دهد. 4- جوشش پرتو گاما از چرخش ستاره به ابرنواختر را می توان ضبط کرد. 5- تناظر اندازه کهکشان با سیاهچاله اش؛ یعنی کهکشان عظیم سیاهچاله عظیم مرکزی دارد. هرچه کهکشان با سیاهچاله مرکزیش سنگین تر باشد نیروی جاذبه شدیدتر است. آیا کهکشانها با سنگینی سیاهچاله با هم می مانند؟ سیاهچاله / https://fa.wikipedia.org/wiki
آزمایشات برای ماده و انرژی تاریک بقرار زیرند: “شیئی هاله ای فشرده سنگین جسم اخترگونه” MACHO، ماده نوع ناباریونیک در نوترینو داغ و سرد در “اندرکنش ضعیف ذرات جرمین” WIMP، رصدخانه نوترینو قطب جنوب، تلسکوپ رصدگر فواصل زیاد، فیزیک TeV ترا الکترون ولت = 10 بقوه 6 ضربدر مگاولت. در سده 21 بیش از 100 سیاره شبیه زمین در فضا رصد شده. Massive astrophysical compact halo object = MACHO
منابع. 2016/10/06
http://www.slideshare.net/smullen57/1-history-of-astronomy?next_slideshow=1
http://www.slideshare.net/angel4all1/complete-astronomy-unit-ppt?next_slideshow=4
http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_matter.html
