ماده‌ی تاریک (Dark Matter)، انرژی تاریک و کیهان در حال انبساط
کهکشان‌ها زیادی تند می‌چرخن و انبساط داره تندتر می‌شه. اندازه‌گیری‌هایی رو ببین که این دو نتیجه رو تحمیل می‌کنن، ببین چی‌ها قبلاً رد شدن، و دقیقاً کجا جواب صادقانه هنوز «نمی‌دونیم»ه.
اولین سرنخ
کهکشان‌ها برعکس انتظار می‌چرخن
تو منظومه‌ی شمسی فاصله سرعت رو تعیین می‌کنه. تیر با ۴۷ کیلومتر بر ثانیه می‌دوئه، زمین با ۳۰، نپتون با ۵. این دقیقاً چیزیه که گرانش پیش‌بینی می‌کنه وقتی تقریباً همه‌ی جرم وسط نشسته. تو دهه‌ی ۱۹۷۰ ویرا روبین و کنت فورد اندازه گرفتن ستاره‌ها تو کهکشان‌های دیگه با چه سرعتی می‌چرخن و انتظار داشتن همون افت رو ببینن. دیدن ستاره‌های دور لبه‌ی صفحه دقیقاً به همون تندی ستاره‌های نزدیک مرکز حرکت می‌کنن.
این فقط یه جور ممکنه: باید کلی جرم همون بیرون، جایی که ستاره‌هان و حتی دورتر، تو یه هاله‌ی نامرئی بزرگ پخش شده باشه. نور رو اندازه بگیری، اونجا نیست. گرانش رو اندازه بگیری، هست.
| چی داره می‌چرخه | فاصله از مرکز | سرعت |
|---|---|---|
| زمین، دور خورشید | ۱۵۰ میلیون کیلومتر | حدود ۳۰ کیلومتر بر ثانیه |
| نپتون، دور خورشید | ۴٫۵ میلیارد کیلومتر | حدود ۵ کیلومتر بر ثانیه |
| خورشید، دور کهکشان | ۲۶ هزار سال نوری | حدود ۲۲۰ کیلومتر بر ثانیه |
| ستاره‌ای دو برابر دورتر | ۵۲ هزار سال نوری | بازم حدود ۲۲۰ کیلومتر بر ثانیه |
خودت رو امتحان کن
پویا به اون جدول نگاه می‌کنه و می‌پرسه ردیف آخر واقعاً داره چی می‌گه. قوی‌ترین نتیجه‌ای که ازش درمیاد چیه؟
- اون بیرون کلی جرم هست که هیچ نوری نمی‌ده
- ستاره‌های دور لبه‌ی کهکشان موتور خودشون رو دارن
- گرانش تو فاصله‌های زیاد ضعیف‌تر از اونیه که فکر می‌کردیم
- فاصله‌ی اون ستاره‌ها اشتباه اندازه‌گیری شده
جواب رو ببین
اون بیرون کلی جرم هست که هیچ نوری نمی‌ده
درسته. سرعت مداری به جرمی بستگی داره که داخل مدار قرار گرفته. ستاره‌ای تو ۵۲ هزار سال نوری که به تندی خورشید حرکت می‌کنه یعنی داخل مدارش خیلی بیشتر از ستاره‌های دیدنی جرم هست.
شاهدهای بیشتر
سه تا اندازه‌گیری دیگه هم همین رو می‌گن
منحنی چرخش به‌تنهایی شاهد ضعیفی بود. ولی تو درس ۰۹ دیدی که جرم نور رو خم می‌کنه. یه خوشه‌ی کهکشانی رو از روی میزان کج کردن تصویر کهکشان‌های پشتش وزن کن؛ حدود پنج برابر جرمی درمیاد که ستاره‌ها و گازش می‌تونن تأمین کنن. موج‌های تابش زمینه‌ی درس ۱۰ هم فقط وقتی به اندازه‌ی مشاهده‌شده درمیان که ماده‌ی اضافه‌ای باشه که با نور برهم‌کنش نمی‌کنه. و شبیه‌سازی‌های کیهان جوون فقط وقتی تو زمان موجود کهکشان می‌سازن که اون ماده‌ی اضافه باشه و گاز رو جمع کنه.
قوی‌ترین مورد منفرد، دو تا خوشه‌ی کهکشانیه که به هم خوردن. گاز داغشون، که بیشتر ماده‌ی معمولیه، به هم کوبید و وسط کُند شد، ولی خمش نور نشون می‌ده بیشتر جرم همراه کهکشان‌ها صاف از وسط رد شده. این جرم اضافه هر چی که هست، تقریباً با هیچی برهم‌کنش نمی‌کنه، حتی با خودش.
خودت رو امتحان کن
به ماده‌ی تاریک «تاریک» می‌گن چون از یه چیز سیاه ساخته شده که نور رو جذب می‌کنه، مثل دوده یا غبار.
جواب رو ببین
نادرست
غلطه، و اسمش هم کمکی نمی‌کنه. دوده و غبار نور رو جذب می‌کنن و برای همین راحت پیدا می‌شن: هر چی پشتشونه رو کم‌نور و قرمز می‌کنن و خودشون تو فروسرخ می‌تابن. ماده‌ی تاریک هیچ‌کدوم از این کارها رو نمی‌کنه. شفافه: نور صاف ازش رد می‌شه انگار اصلاً اونجا نیست. تنها اثر شناخته‌شده‌ش گرانشه.
چی‌ها رد شدن و چی مونده
از قبل کنار گذاشته شده
گاز سرد: تو موج رادیویی دیده می‌شد. غبار: نور ستاره‌ها رو قرمز و کم‌نور می‌کرد. ستاره‌های کم‌نور و سیاره‌ها و سیاه‌چاله‌های سرگردان: دنبال درخشش کوتاه خمش نورشون گشتن و خیلی کمتر از نیاز پیدا کردن. تازه دستورپخت درس ۱۰ یه سقف محکم برای مقدار ماده‌ی معمولی از هر نوعی می‌ذاره: حدود ۵٪ کل، که اصلاً کافی نیست.
چی مونده
یه جور ذره که جرم داره، آروم حرکت می‌کنه، و نور و ماده‌ی معمولی رو تقریباً کامل نادیده می‌گیره. هیچ‌کدوم از ذره‌های شناخته‌شده با این جور درنمیان. آشکارسازهای زیر زمین و شتاب‌دهنده‌های ذرات ده‌هاست دارن می‌گردن و چیزی تأییدشده پیدا نکردن؛ این خیلی گزینه‌ها رو رد کرده، بدون اینکه جواب رو پیدا کنه.
خودت رو امتحان کن
هر جمله درباره‌ی ماده‌ی تاریک: پشتوانه داره یا نه؟
- تقریباً پنج برابر ماده‌ی معمولی جرم داره
- وجودش از چند راه مستقل، از روی گرانش نتیجه گرفته شده
- می‌دونیم از چه ذره‌ای ساخته شده
- تو یه هاله‌ی بزرگ دور هر کهکشان پخش شده
- بیشترش ستاره‌های مرده و سیاره‌های سردن
- جلوی نور ستاره‌های پشتش رو می‌گیره
جواب رو ببین
شواهد پشتشه: تقریباً پنج برابر ماده‌ی معمولی جرم داره, وجودش از چند راه مستقل، از روی گرانش نتیجه گرفته شده, تو یه هاله‌ی بزرگ دور هر کهکشان پخش شده
پشتوانه نداره: می‌دونیم از چه ذره‌ای ساخته شده, بیشترش ستاره‌های مرده و سیاره‌های سردن, جلوی نور ستاره‌های پشتش رو می‌گیره
معمای دوم
انبساط داره تندتر می‌شه
همه انتظار داشتن انبساط داره کُند می‌شه. گرانش می‌کشه، و تنها سؤال این بود که آخرش انبساط رو متوقف می‌کنه یا فقط تا ابد کُندش می‌کنه. سال ۱۹۹۸ دو تا گروه رقیب نرخ انبساط رو تو گذشته‌های دور اندازه گرفتن و برعکسش رو دیدن: انبساط چند میلیارد سالیه که داره شتاب می‌گیره. یه چیزی داره فضا رو تندتر و تندتر از هم باز می‌کنه، و اسمی که بهش دادن، یعنی انرژی تاریک (Dark Energy)، یه برچسبه نه یه توضیح.
ساده‌ترین توصیفش یه انرژی ثابت تو هر مترمکعب از فضای خالیه که با بزرگ شدن فضا رقیق نمی‌شه. این با داده‌ها خوب جور درمیاد. ولی اینکه چرا باید همین مقدار باشه، یکی از بزرگ‌ترین مسئله‌های حل‌نشده‌ی فیزیکه.
از کجا می‌دونیم: اندازه گرفتن گذشته با کوتوله‌های سفید منفجرشونده
- یه درخشندگی استاندارد پیدا کن
کوتوله‌ی سفیدی که داره از یه ستاره‌ی همدم گاز می‌کِشه، جرم می‌گیره تا از همون سقف ۱٫۴ برابر خورشید درس ۰۵ رد بشه. بعد کاملاً منفجر می‌شه. چون ماشه همیشه یه جرم مشخصه، اوج درخشندگی واقعی همه‌ی این انفجارها تقریباً یکیه.
- ازش به‌عنوان خط‌کش استفاده کن
اگه بدونی یه چیز واقعاً چقدر پرنوره و اندازه بگیری چقدر پرنور به نظر می‌رسه، فاصله‌ش درمیاد. اخترشناس‌ها به همچین جسمی می‌گن شمع استاندارد.
- انتقال به سرخ رو هم اضافه کن
طیف همون ابرنواختر انتقال به سرخش رو می‌ده، که می‌گه از وقتی نور راه افتاده کیهان چقدر بزرگ شده. حالا برای جسم‌هایی که میلیاردها سال نوری دورن، فاصله و انبساط رو جفت‌جفت داری.
- نتیجه رو بخون
ابرنواخترهای دور یه کم کم‌نورتر از چیزی درومدن که یه کیهان یکنواخت کُندشونده پیش‌بینی می‌کرد، یعنی دورتر از انتظار بودن. دو تا گروه مستقل به یه جواب رسیدن، و کارهای بعدی با تابش زمینه و با خوشه‌بندی کهکشان‌ها هم همین رو تأیید کرد.
خودت رو امتحان کن
- یه ابرنواختر با انتقال به سرخ کم، یعنی نسبتاً نزدیک، دقیقاً همون‌قدر پرنور دیده می‌شه که یه انبساط یکنواخت کُندشونده پیش‌بینی می‌کنه.
- یه ابرنواختر با انتقال به سرخ زیاد، یعنی خیلی عقب‌تر تو زمان، یه کم کم‌نورتر از پیش‌بینی همون مدل دیده می‌شه.
با توجه به اینکه درخشندگی واقعی این انفجارها تقریباً یکیه، مورد دوم چی رو می‌گه؟
- اون ابرنواختر انفجار ضعیف‌تری از نزدیکیه بوده
- دورتر از جاییه که انبساط یکنواخت کُندشونده می‌ذاردش، پس انبساط از اون موقع شتاب گرفته
- کیهان جوون‌تر از چیزیه که فکر می‌کردیم
- غبار بین ما و اون، بخشی از نور رو جذب کرده
جواب رو ببین
دورتر از جاییه که انبساط یکنواخت کُندشونده می‌ذاردش، پس انبساط از اون موقع شتاب گرفته
درسته. درخشندگی واقعی یکسان به‌اضافه‌ی ظاهر کم‌نورتر یعنی فاصله‌ی بیشتر. نور از فضایی رد شده که بیشتر از چیزی که مدل قدیمی اجازه می‌داد بزرگ شده، و اون دو تا گروه با دقت بررسی کردن که غبار و تغییر خود انفجارها نمی‌تونن توضیحش بدن.
بودجه‌ی کیهان، و چیزی که پشتش پنهونه
- تقریباً ۵٪ ماده‌ی معمولی: هر اتم و ستاره و سیاره و آدم. ده درس اول درباره‌ی همین بخش بود.
- تقریباً ۲۷٪ ماده‌ی تاریک: فقط از راه گرانش و از چهار مسیر مستقل پیدا شده، با ترکیب ناشناخته.
- تقریباً ۶۸٪ انرژی تاریک: از شتاب گرفتن انبساط نتیجه گرفته شده، با ماهیتی کاملاً ناشناخته.
- این درصدها خوب اندازه‌گیری شدن. اسم‌ها جای‌نگه‌دارن. اینکه بدونیم ۹۵٪ کیهان چیزیه که نمی‌تونیم شناساییش کنیم یه نتیجه‌ی واقعیه، نه شکست؛ چون یه اندازه‌گیریه، نه یه حدس.
خودت رو امتحان کن
مهسا می‌گه ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک شبیه بهونه‌هایی‌ان که هر وقت عددها جور درنمیان ساخته می‌شن. منصفانه‌ترین جواب چیه؟
- حق با اونه؛ این‌ها برچسب‌های آزمایش‌ناپذیری‌ان که برای وصله کردن معادله‌ها ساخته شدن و دانشمندها هم آروم قبولش دارن
- هر دوشون یه پدیده‌ان با دو تا اسم
- این‌ها مواد و پدیده‌های اثبات‌شده‌ان و پرونده بسته‌ست
- این‌ها اسم اختلاف‌های اندازه‌گیری‌شده‌ان که روش‌های مستقل تأییدشون کردن، و ایده‌های رقیب هنوز دارن آزمایش می‌شن
جواب رو ببین
این‌ها اسم اختلاف‌های اندازه‌گیری‌شده‌ان که روش‌های مستقل تأییدشون کردن، و ایده‌های رقیب هنوز دارن آزمایش می‌شن
درسته، و این شک سالمیه. هر کدومشون رو اندازه‌گیری تحمیل کرده، هر کدوم تو چند مشاهده‌ی بی‌ربط به هم دیده می‌شن، و هر کدوم پیش‌بینی‌هایی می‌کنن که می‌تونن شکست بخورن. گرانش تغییریافته هم به‌عنوان جایگزین جدی گرفته می‌شه: تو کهکشان‌های تکی خوب جواب می‌ده ولی سر خوشه‌های برخوردی و تابش زمینه کم میاره.
مرور درس
- ستاره‌های لبه‌ی کهکشان به تندی ستاره‌های نزدیک مرکز می‌چرخن، و این یعنی کلی جرم نامرئی تو یه هاله دورش پخش شده.
- خمش نور، تابش زمینه و شکل‌گیری کهکشان‌ها به همون جرم اضافه اشاره می‌کنن، و خوشه‌های برخوردی نشون می‌دن این جرم تقریباً از هر چیزی رد می‌شه.
- ماده‌ی معمولی از هر نوعی سقفی حدود ۵٪ کیهان داره، پس ماده‌ی تاریک غبار و گاز و ستاره‌ی مرده نیست.
- ابرنواخترهای نوع Ia نقش شمع استاندارد رو بازی می‌کنن، و سال ۱۹۹۸ نشون دادن انبساط داره شتاب می‌گیره. به علتش می‌گن انرژی تاریک.
- حدود ۵٪ ماده‌ی معمولی، ۲۷٪ ماده‌ی تاریک، ۶۸٪ انرژی تاریک. نسبت‌ها اندازه‌گیری شدن؛ ماهیتشون نه.