مجله خبری-سبک زندگی نگار: ممکن است بگوییم مگر کار مشکلی است که با استفاده از امواج رادیویی، مادون قرمز و ستاره شناسی اشعه ایکس کیهان را بررسی کنیم و مقدار جرم مواد قابل مشاهده را برآورد کنیم؟ پاسخ این پرسش این است که درواقع اندازه گیری مقدار جرم مواد قابل مشاهده چندان دشوار نیست و ستاره شناسان در این کار پیشرفتهای بزرگی به دست آورده اند. اما مشکل این نیست. مسئله این است که بدانیم آیا چیزی غیر از آن چه میتوانیم ببینیم هم وجود دارد؟ با این شرایط بیایید ببینیم چگونه میتوانیم جرم کیهان را اندازه گیری کنیم.
پس از این که این ستارهها میمیرند عناصر سنگینتر ایجاد میشوند
یکی از بزرگترین شواهدی که از آن میتوانیم برای تعیین جرم جهان استفاده کنیم چیزی است که «پس زمینه مایکروویو کیهان (CMB)» نامیده میشود. تاریخچه CMB به مدت زمان کوتاهی پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) برمی گردد و در واقع دمای پس زمینه جهان است. پس زمینه مایکروویو کیهانی، گرمایی قابل تشخیص در سراسر کیهان و از همۀ جهات است و ۲.۷ درجه کلوین است.
نوسانات کوچک، اما مهمی وجود دارد که در سراسر این «گرما» منتشر میشود، اما توزیع آن نشان میدهد که جهان باید تقریباً مسطح باشد و اساساً هیچ انحنایی نداشته باشد. به این ترتیب معنای آن برای اندازه گیری جرم چیست؟ معنایش این است که مقدار مشخصی از جرم و انرژی در درون جهان وجود دارد که آن را «مسطح» میسازد.
اما مشکل این جا است که هنگامی که ما تمام مواد عادی مانند ستارگان و کهکشانها، به علاوه گاز داخل جهان را به هم اضافه میکنیم، فقط حدود ۵ ٪ از چگالی بحرانیای را تشکیل میدهد که مسطح بودن جهان را توضیح میدهد (چگالی بحرانی حداقل تراکمی است که تضمین میکند جهان برای همیشه گسترش نمییابد، اما در عین حال در خودش هم سقوط نمیکند).
پس ۹۵ ٪ دیگر کجاست؟ دانشمندان میگویند که بقیه به صورت ماده تاریک و انرژی تاریک وجود دارد.
بنابراین جرمی وجود دارد که ما میتوانیم میبینیم (چیزی که ما آن را ماده بریونیک مینامیم) و همچنین جرمی که ما نمیتوانیم ببینیم (که ماده تاریک مینامیم). همچنین انرژی (نور) وجود دارد که ما میتوانیم اندازه گیری کنیم و انرژیای وجود دارد که نمیتوانیم اندازه گیری کنیم (انرژی تاریک). در ادامه به بررسی جرم قابل اندازه گیری و جرم نامشخص جهان میپردازیم.
عناصر سنگین (~ ۰.۰۳ ٪): برای نزدیک به نیم میلیارد سال پس از تولد جهان تنها عناصری که وجود داشت هیدروژن و هلیوم بود. آنها زندگی خودشان را میکردند تا این که ستارهها متولد شدند. پس از این که این ستارهها میمیرند عناصر سنگینتر ایجاد میشوند. وقتی عناصر سنگین ایجاد میشوند که ستارهها در هسته هایشان همجوشی هیدروژن (یا عناصر دیگر) را انجام میدهند. مرگ ستارهها تمام این عناصر را از طریق سحابی سیارهای یا انفجار ابرنواختری پخش میکند. پس از این رویداد، عناصر پخش میشوند که در شکل گیری سایر ستارگان، سیارات و سایر اشیاء مورد استفاده قرار میگیرند. این روند کند است و حتی تقریباً پس از ۱۴ میلیارد سال تنها بخش کوچکی از جرم جهان در عناصر سنگینتر از هلیوم است.
نوترینوها (~۰.۳%): نوترینوها در طی فرایند همجوشی هستهای در داخل هسته ستارهها ایجاد شدند. نوترینوها ذرات تقریباً بدون جرمی هستند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند. نوترینوها بار ندارند.
اندازه گیری نوترینوها تنها به برآورد میزان همجوشی هستهای خورشید و دیگر ستارهها و نیز برآورد جمعیت کل نوترینوها در جهان میانجامد و جرم آنها اهمیت زیادی ندارد.
ستارگان (~ ۰.۴ ٪): زمانی که ما به آسمان شب نگاه میکنیم، بیشتر آنچه که میبینیم ستارگان اند. با وجود این، ستارهها در واقع تنها بخش کوچکی از جهان ما را تشکیل میدهند.
گاز (~ ۰.۴ ٪): فراوانتر از ستارگان، چیزهایی هستند که معمولاً فضای بین ستارگان را اشغال میکنند و فضای بین کهکشانهای بزرگ اند. گاز بین ستارهای که اکثراً فقط عناصر هیدروژن و هلیوم است، بیشتر جرم داخل جهان را تشکیل میدهد که ما میتوانیم به طور مستقیم آن را اندازه گیری کنیم. ما با ابزارهای عادی (به عنوان مثال از طریق یک تلسکوپ) نمیتوانیم گاز را ببینیم در عوض، با استفاده از ابزارهای حساس به طول موجهای رادیویی، مادون قرمز و اشعه ایکس میتوانیم گاز را تشخیص دهیم.
ماده تاریک (~ ۲۲ ٪): محققان با بررسی حرکت (چرخش) کهکشانها و همچنین تعامل کهکشانها در خوشههای کهکشانی، دریافته اند که تمام گازها و گرد و غبار موجود برای توضیح جرم جهان کافی نیست؛ بنابراین ۸۰ درصد جرم داخل کهکشانها باید «تاریک» باشد؛ که قابل تشخیص نیست. هویت این توده مرموز ناشناخته است. بهترین پیشنهادی که درباره ماده تاریک داده شده عبارت است از ماده سردی که براساس تئوری ذرهای شبیه به نوترینو است، اما با جرمی خیلی بیشتر.
تصور میشود که این ذرات، اغلب به صورت ذراتی سنگین با کنش و واکنش ضعیف (WIMPs) شناخته میشوند، ناشی از کنش و واکنشهای حرارتی در تشکیلات کهکشانی اولیه هستند.
به هر صورت ما هنوز قادر به شناسایی ماده تاریک به طور مستقیم یا غیر مستقیم و یا ایجاد ماده تاریک در یک آزمایشگاه نبوده ایم.
انرژی تاریک (~ ۷۳ ٪): و در نهایت انرژی تاریک مادهای است که بیشترین درصد مواد داخل جهان را تشکیل میدهد، ولی خیلی کم درباره آن میدانیم. در حقیقت، انرژی تاریک (به احتمال زیاد) حتی سنگین هم نیست. شاید اصلاً یک میدان انرژی است که در کل جهان نفوذ کرده. به هر حال زمان لازم است تا اطلاعات بیشتری درباره آن کسب کنیم.