ماده تاریک یکی از بزرگترین معماهای کیهانشناسی و فیزیک ذرات است: پدیدهای که خود را از طریق گرانش نشان میدهد اما نوری جذب یا بازتاب نمیکند. کهکشانها با سرعتهایی میچرخند که در غیاب نیروی گرانشی اضافی باید از هم بپاشند؛ بنابراین وجود جسم یا میدان نامرئیای لازم است که این گرانش اضافی را فراهم کند. با این حال تلاشهای مستقیم برای آشکارسازی ماده تاریک تا امروز بینتیجه مانده است. پژوهشهای جدید پیشنهاد میکنند شاید ما در «جهانِ» اشتباه جستجو میکنیم—یا دستکم ماده تاریک میتواند منشاءهایی فراتر از سناریوهای مرسوم داشته باشد.
جهان آینهای تاریک؛ ایده و پایههای نظری
فیزیکدان استفانو پروفومو از دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، دو مسیر نظری را مطرح کرده است که میتوانند وجود ماده تاریک را توضیح دهند. یکی از این مسیرها فرضیه وجود یک «جهان آینهای تاریک» درون یا همراه جهان قابل رؤیت است. در این دیدگاه، بخش تاریکی از کیهان دارای نسخههایی از ذرات و نیروهاست که رفتارهایی مشابه اما غیرقابل رصد مستقیم نسبت به ذرات معمولی دارند. بر پایه تشبیه به نظریه میدانهای قوی، مکانیسمی مانند کرومودینامیک کوانتومی (QCD) میتواند در بخش تاریک عمل کند؛ یعنی تاریک-کوارکها و تاریک-گلوئونها میتوانند به هم پیوند خورده و باریونهای تاریک (نظیر پروتونها و نوترونهای تاریک) بسازند.
سیاهچالههای تاریک و تولید امواج گرانشی
اگر ابرهای باریونی تاریک به اندازه کافی متراکم شوند، ممکن است به فروپاشی گرانشی منجر شده و سیاهچالههایی «نانو» یا کوچک پدید آورند. جمعیت کافی از چنین سیاهچالههایی میتواند کل یا بخش قابل توجهی از ماده تاریک را تشکیل دهد. تجمّع عظیم گرانشی این ساختارها همچنین میتواند شکل هندسی و تکاملی کیهان را دگرگون کند. هنگامی که این سیاهچالههای تاریک با یکدیگر ادغام میشوند، ممکن است امواج گرانشی تولید کنند که البته آشکارسازی آنها بسته به خصوصیات امواج و آشکارسازها متفاوت خواهد بود. دستگاههایی چون LIGO و Virgo و در آینده LISA میتوانند در جستجوی امواج گرانشی بیگانه نقش داشته باشند؛ اگر امواجی با الگوهای غیرمعمول ثبت شود، آثاری از یک بخش تاریک و مستقل از ماده ممکن است پدیدار گردد.
تولید ذرات تاریک در افق کیهانی: تشبیه با تابش هاوکینگ
مسیر دوم پیشنهادی پروفومو مرتبط با «افق کیهانی» است؛ مرزی مشابه افق رویداد سیاهچاله که تعیین میکند کدام نواحی از کیهان میتوانند بر هم تأثیر گرانشی بگذارند. در مرحله انبساط سریع اولیه که به آن تورم کیهانی میگوییم، فضای قابل رصد با سرعتی فراتر از نور گسترش یافت و شرایطی فراهم شد که ذرات میتوانستند از لبههای این افق تولید شوند. پروفومو این فرآیند را به تابش هاوکینگ نزدیک دانسته است؛ تابشی که برای توصیف تولید ذرات از حوالی افق رویداد سیاهچاله مطرح شده است. به این معنا که ممکن است ذرات ماده تاریک به طور پیوسته یا در فازهای خاصی از تاریخ کیهان از افق کیهانی تابش شده و در ساختار ماده تاریک سهیم شده باشند.
ارتباط با تورم و توسعه فضا-زمان
اگرچه شدت تورم پس از فرتاب نخستین کاسته شد، اما انبساط فضا-زمان ادامه دارد و نه تنها فاصله میان کهکشانهایی که به یکدیگر گرانشی وابسته نیستند افزایش مییابد، بلکه فرایندهای کوانتومی روی افق کیهانی نیز میتوانند ادامه یابند. بنابراین، تولید ذرات تاریک از افق ممکن است تا زمانی که انبساط ادامه دارد، فعال بماند یا دستکم در گذشتهای دور بهطور قابل توجهی رخ داده باشد.
پیامدها، رصدها و مسیرهای آزمایشی
هر یک از این سناریوها پیامدهای قابل رصد متفاوتی دارند. اگر ماده تاریک حاصل سیاهچالههای تاریک باشد، یکی از راههای آزمون، جستجوی امواج گرانشی با مشخصههای جرم و نرخ ادغام غیرمعمول است. اگر منشأ از افق کیهانی باشد، اثرات بر توزیع چگالی در مقیاسهای بزرگ، نوسانات پسزمینه کیهانی و نسبتهای ذرهای ممکن است قابل شناسایی باشند. ابزارهای موجود و آینده عبارتاند از:
- آشکارسازهای امواج گرانشی زمین-پایه و فضایی (LIGO, Virgo, KAGRA, LISA)
- مشاهدات پسزمینه تابش کیهانی (CMB) و اندازهگیریهای دقیق در توزیع کهکشانها
- آزمایشهای زمینی و زیرزمینی برای جستجوی ذرات با پاسخهای غیرمرسوم
استفانو پروفومو در مقالهای منتشرشده در Physical Review D مینویسد که «ماهیت ماده تاریک یکی از مهمترین معماها در کیهانشناسی و فیزیک ذرات است» و اضافه میکند که با وجود نامزدهای مختلف مانند ذرات سنگین با برهمکنش ضعیف (WIMPs) و آکسیونها، درک بنیادی بخش تاریک همچنان بازمانده است. پروفومو همچنین در مقاله دوم خود تأکید میکند که «مکانیزم زیرین تولید ماده تاریک کیهانی در حال حاضر پرسشی باز و موضوع بررسی فشرده است.»
پیوند نظریه و مشاهده
ایده جهان آینهای تاریک و تولید ذرات از افق کیهانی هردو نمونههایی از تلاش برای کشیدن پیوند میان نظریههای میدانهای کوانتومی، گرانش و دادههای رصدی هستند. الهامگیری از QCD نشان میدهد که ساختارهای پیچیدهای میتوانند در بخش تاریک شکل گیرند و نتایجی چون سیاهچالههای اولیه یا ذرات ترکیبی را به دنبال داشته باشند. از سوی دیگر، سناریوی افق کیهانی بر تعامل میان تورم، کوانتوم و هندسه فضای کیهان تأکید دارد.
نتیجه گیری
پیشنهاد وجود یک «جهان آینهای تاریک» یا تابش مداوم ذرات تاریک از افق کیهانی دو مسیر نظری جذاب برای حل معمای ماده تاریک ارائه میدهند. هرچند این ایدهها تا حد زیادی فرضیاند، اما قابل آزمون هستند و با ابزارهای امروزی و برنامههای رصدی آینده میتوان نشانههای مرتبط را جستجو کرد. کشف هرکدام از این نشانهها نه تنها ماهیت ماده تاریک را روشن خواهد کرد، بلکه برداشت ما از ساختارهای بنیادی کیهان، تاریخ نخستین لحظات و فیزیک فراتر از استاندارد مدل را بازنویسی خواهد نمود. پژوهشهای بیشتر و دادههای دقیقتر میتوانند روشن کنند آیا واقعاً یک بخش تاریکِ آینهای کنار ما پنهان شده است یا خیر.