چگونه به احتمال وجود ماده و انرژی تاریک پی بردیم؟

دانشمندان فکر می‌کنند که تنها حدود پنج درصد از مواد تشکیل دهنده‌ی جهان برای ما شناخته شده است.

مدل‌های کیهان‌شناختی نشان می‌دهند که انرژی نامرئی و ماده باید در مجموع ۹۵ درصد از جهان را تشکیل دهند تا بر اساس نظریه‌های موجود کار کنند.

بخش نامرئی جهان از دو جزء انرژی تاریک و ماده تاریک تشکیل شده است. مورد دوم تا حدودی کمتر مرموز است و دانشمندان نسبتا از وجود آن مطمئن هستند زیرا قوانین گرانش بدون آن کار نمی‌کنند. اگر ماده‌ی مرئی تمام آن چیزی بود که وجود داشت، کهکشان‌ها نمی‌توانستند پس از مه‌بانگ به اندازه‌ی فعلی‌شان ادغام شوند. در واقع، اگر گرانش ماده مرئی تنها نیرویی باشد که آنها را به سمت هم می‌کشد، بسیاری از کهکشان‌ها در کنار هم نمی‌ماندند.

تلسکوپ فضایی جدید اروپا به نام اقلیدس تلاش خواهد کرد تا از این موارد نامرئی نقشه‌برداری کند، اما اگر یافته‌های آن مطابق با انتظارات نباشد چه؟ چیزهای زیادی در خطر است، از جمله نظریه نسبیت عام معروف و پذیرفته شده‌ی اینشتین.

اولین مشاهداتی که نشان می‌دهد ماده تاریک باید در جهان وجود داشته باشد تا از جدا شدن اشیاء جلوگیری کند، در دهه‌ی ۱۹۳۰ انجام شد. از آن زمان، ستاره‌شناسان دریافتند که این ماده‌ی تاریک نامرئی باید دستکم ۸۵ درصد از کل ماده در جهان را تشکیل دهد. دانشمندان دهه‌ها است تلاش می‌کنند تا این ماده‌ی نامرئی را شناسایی کنند، که به نظر آنها باید از نوعی ذرات تشکیل شده باشد که شاید شبیه نوترینوهای بی‌اثری باشد که به سختی با جهان مرئی تعامل دارند.

با این حال، وضعیت انرژی تاریک پیچیده‌تر است. کشف این نیروی گریزان به سال ۱۹۹۸ برمی‌گردد، زمانی که ستاره‌شناسان دریافتند که انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است. خود انبساط در ابتدا توسط انرژی مه‌بانگ هدایت می‌شد، اما از آنجایی که مه‌بانگ خیلی وقت پیش(به طور دقیق ۱۳.۸ میلیارد سال پیش) اتفاق افتاده، این انبساط باید کُند شود.

برای جبران این معما، نظریه‌پردازان فرض کردند که یک نیروی مرموز به نام انرژی تاریک، باید وجود داشته باشد که بر خلاف گرانش عمل می‌کند و ماده را از هم جدا می‌کند. به گفته‌ی ناسا، مدل‌های کیهانی نشان می‌دهند که انرژی تاریک ۶۸ درصد از کل انرژی کیهان را تشکیل می‌دهد. اما ستاره شناسان اعتراف می کنند که شواهد وجود آن کمی مبهم است.

ایزوبل هوک(Isobel Hook)، استاد اخترفیزیک در دانشگاه لنکستر در بریتانیا و دانشمند اقلیدس می‌گوید:[شتاب انبساط] جهان وقتی فکر می‌کنید که فقط گرانش وجود دارد، معنا ندارد. این فرآیند نباید کُند شود. بنابراین این واقعیت که ما سریع‌تر شدن آن را مشاهده می‌کنیم به این معنی است که باید چیز دیگری وجود داشته باشد و ما آن را انرژی تاریک می‌نامیم زیرا واقعا نمی‌دانیم چیست.

هوک یکی از اعضای تیمی بود که در سال ۱۹۹۸ آن کشف را انجام داد و از آن زمان تاکنون، درست مانند بسیاری از دانشمندان دیگر، در این فکر بوده است که این انرژی تاریک واقعا چه می‌تواند باشد.

او گفت: ما واقعا نمی‌دانیم. بهترین نظریه این است که احتمالا به نوعی خاصیت خود فضا است، مانند نوعی انرژی که در همه جا و همیشه وجود دارد، اما هیچ توضیحی برای آن وجود ندارد.

مدل‌ها نشان می‌دهند که این انرژی باید به طور مساوی در سراسر جهان توزیع شود و همیشه قدرت یکسانی داشته است. در روزهای اولیه کیهان، تاثیرات انرژی تاریک به این اندازه قابل مشاهده نبود، زیرا انرژی اولیه از مه‌بانگ بخش عمده‌ای از انبساط جهان را هدایت می‌کرد.

جوزپه راکا(Giuseppe Racca)، مدیر پروژه اقلیدس در آژانس فضایی اروپا(ESA)، به اسپیس گفت، با این حال، حدود پنج تا شش میلیارد سال پیش، انرژی تاریک به نیروی غالبی تبدیل شد که بر خلاف گرانش هر دو، ماده معمولی و تاریک عمل می‌کند.

با این حال، این احتمال نیز وجود دارد که در نهایت چیزی به نام انرژی تاریک وجود نداشته باشد و مدل‌های کیهانی که وجود آن را ایجاب می‌کنند اشتباه باشند. این مدل‌ها بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین که قوانین فیزیکی جهان را در یک سری معادلات توصیف می‌کنند، ایجاد شده است. اگر مشاهدات آتی تلسکوپ اقلیدس و سایر تلسکوپ‌های آینده که برای مطالعه انرژی تاریک طراحی شده‌اند نشان دهد که انرژی تاریک نیروی ثابت و همه‌جانبه‌ای نیست، به این معنی است که این نظریه مشهور به طور کامل  صحیح نیست.

راکا می‌گوید: ما می‌دانیم که نسبیت عام در سطح یک سیستم بسیار خوب عمل می‌کند. اما این احتمال وجود دارد که در مقیاس کیهانی به خوبی کار نکند و بنابراین انرژی تاریک مورد نیاز نباشد.

اقلیدس با نقشه‌برداری از توزیع کهکشان‌ها در ۱۰ میلیارد سال قبل و مقایسه‌ی چگونگی تغییر این توزیع در طول تکامل جهان به دنبال شواهدی از انرژی تاریک خواهد بود. مشاهدات نشان خواهد داد که آیا واقعا به نظر می‌رسد که یک نیروی دائمی در همه جا در عمل وجود دارد یا شاید چیز دیگری در حال وقوع است.

هوک می‌گوید: ممکن است متوجه شویم که اثرات این انرژی ثابت را در همه جا نمی‌بینیم، اما تفاوت‌هایی را در جایی یا در زمان می‌بینیم. سپس همه چیز واقعا جالب خواهد شد و واقعا انقلابی خواهد بود، زیرا ما باید نظریه‌های خود را کاملا تغییر دهیم.

این احتمالا به معنای بردن جوایز نوبل برای کاشفان خواهد بود. تلسکوپ اقلیدس که در اول ژوئیه توسط موشک فالکون ۹ اسپیس ایکس به فضا پرتاب شد، شش سال طول می‌کشد تا یک سوم آسمان خارج از کهکشان ما یعنی کهکشان راه شیری را ترسیم کند.