این بخش اول از مجموعه مقالاتی در مورد سیاهچالههای اولیه است! آیا واقعاً لازم است دوباره شواهد مربوط به ماده تاریک را مرور کنیم؟ خب، برای اونایی که اون عقب هستن و دفعهی اول توجه نکردن. اگه از قبل با مادهی تاریک آشنا هستین، میتونین از اینجا رد بشین و به بخش بعدی برین. اگه نمیدونین در مورد چی دارم حرف میزنم، اینو ببینین.
فریتز زویکی
شواهد ما برای وجود ماده تاریک تقریباً به یک قرن کامل برمیگردد. در دهه ۱۹۳۰، ستارهشناس سوئیسی-آمریکایی، فریتز زویکی – که عادت داشت تقریباً با همه، به ویژه مافوقهایش، مشاجرات کلامی داشته باشد – در حال مطالعه خوشه گیسو بود. این خوشه کهکشانی بیش از ۳۰۰ سال نوری از زمین فاصله دارد.
پس از انجام مجموعهای از اندازهگیریها، او کشف کرد که کهکشانهای درون خوشه گیسو خیلی سریع حرکت میکنند. به این صورت که وقتی تمام جرمهای تمام کهکشانها را با هم جمع میکنید، باید یک حد سرعت حداکثری وجود داشته باشد که توسط کشش گرانشی متقابل آنها هدایت میشود. اما کهکشانها خیلی سریعتر از آن حد حرکت میکردند، بنابراین خوشه باید میلیاردها سال پیش از بین میرفت.او مطالعهاش را منتشر کرد اما دیگر هرگز به آن بازنگشت، احتمالاً به این دلیل که مشغول دعواهای بیشتر بود.
ورا روبین
چهل سال بعد، ورا روبین مشغول مطالعه کهکشان آندرومدا بود، عمدتاً به این دلیل که همکارانش اجازه نمیدادند یک زن کیهانشناسی «واقعی» انجام دهد. او متوجه شد که کهکشان خیلی سریع میچرخد. باز هم، جمع کردن تمام ماده مرئی، تخمینی از قدرت گرانشی کل درون کهکشان به ما میدهد که حد بالایی را برای سرعت چرخش اجسام تعیین میکند. بار دیگر، او دریافت که ستارگان بسیار بسیار سریعتر از آنچه باید باشند، در حال چرخش هستند و آندرومدا باید میلیونها سال پیش از هم میپاشید.
این فقط یک اثر کوچک نیست که بتوانید با بحث در مورد خطای اندازهگیری یا عدم قطعیتها وانمود به نادیده گرفتن آن کنید. ما در مورد گرانشی ۵ تا ۱۰ برابر بیشتر از آنچه که میتوان با اندازهگیری تمام مواد داغ و درخشان در هر چیزی بزرگتر از یک کهکشان محاسبه کرد، صحبت میکنیم.
برخلاف زوئیکی، روبین به کار خود ادامه داد و تقریباً تمام دهه ۱۹۷۰ را صرف انتشار مقالات پشت سر هم کرد تا نشان دهد که این موضوع واقعی است و در هر کهکشانی که او مورد مطالعه قرار میداد، قابل مشاهده است. اما از آنجایی که زوئیکی این اثر را برای اولین بار در آن زمان کشف کرد، نام او به آن پیوست شد: «dunkle materie» به آلمانی (بله، میدانم که دارم تلفظ را اشتباه میکنم) یا ماده تاریک به انگلیسی.
اما این همه تاریخ باستان است. آیا شواهد بیشتری برای ماده تاریک میخواهید؟ بله، بله. وقتی از عدسی گرانشی برای وزن کردن خوشههای کهکشانی استفاده میکنیم (و از نیاز به شمارش همه چیزهای داغ و درخشان اجتناب میکنیم)، به یک پاسخ یکسان میرسیم: یک منبع پنهان گرانش وجود دارد. مشهورترین نمونه این، خوشه گلوله، یک خوشه کهکشانی اخیراً ادغام شده است که به ما نشان میدهد:
الف) همه کهکشانها کجا هستند،
ب) همه آنچه خوشه داغ دارد کجاست،
ج) از طریق عدسی گرانشی، همه جرم کجاست. هیچ یک از اینها در یک خط قرار نمیگیرند،
زیرا وقتی دو خوشه با هم ادغام شدند، کهکشانها از کنار هم عبور کردند (فضای زیادی در یک خوشه برای انجام این کار وجود دارد)، گاز کاملاً در هم تنیده شد و ماده تاریک کار خود را انجام داد و وقتی به تابش زمینه کیهانی نگاه میکنیم، تنها راهی که میتواند چنین ویژگیهایی داشته باشد، وجود نوعی ماده نامرئی است که در کیهان اولیه در گردش بوده است. شما به بستههایی از ماده نیاز دارید که توسط تابش شدید کیهان جوان حل نشده باشند. اگر ماده تاریک را حذف کنید، کل نقشه تابش زمینه کیهانی کاملاً متفاوت به نظر میرسد.
و در نهایت، وقتی به چگونگی تکامل ساختارهای بزرگ در جهان نگاه میکنیم، میبینیم که این کار خیلی سریع انجام میشود: باید منابع گرانشی اضافی وجود داشته باشد تا همه چیز را به موقع جمع کند. در واقع، شما حتی نمیتوانید یک کهکشان راه شیری را به موقع بسازید تا… کهکشان راه شیری باشد. اگر ماده تاریک در کنار هم جمع نمیشد و هسته کهکشانها را تشکیل نمیداد، در حالی که ماده معمولی خیلی داغ بود و زحمت توجه به آن را به خود نمیداد، ما حتی وجود نداشتیم.
به هر کجا که نگاه میکنیم، گرانش در مقیاسهای بزرگ متفاوت از آنچه انتظار داریم عمل میکند.
شاید ما نظریه گرانش خود را اشتباه درک میکنیم. اشکالی ندارد، ما این کار را کردهایم. اما هر تلاشی برای اصلاح گرانش برای توضیح یک یا چند مورد از این مشاهدات، در نهایت قادر به توضیح بقیه موارد نیست. مهم نیست چه اتفاقی بیفتد، و ما واقعاً سخت تلاش کردهایم، اگر گرانش را تغییر دهید، هنوز هم برای توضیح انبوه مشاهداتی که پیش روی ماست، به نوعی ماده تاریک نیاز خواهید داشت.
خب… چیه؟ استیون هاوکینگ، از سمت راست صحنه وارد میشود.
ادامه دارد