ماده تاریکِ داغ و سرد
سحر سرگلزایی
عامل اصلی در شکل‌گیری ساختارها در عالم، در مقیاس بزرگ افت‌وخیز چگالی ماده تاریک است. ساختارهایی که در عالم کنونی مشاهده می‌کنیم آشکارا به نوع افت‌وخیزهای ماده تاریک ارتباط دارند. حال می‌خواهیم نگاهی دقیق‌تر به این افت‌وخیزها بیندازیم.
با مراحل بسیار اولیه ابعاد عالم یعنی زمانی که صد میلیون بار کوچک‌تر از اندازه فعلی‌اش است، شروع می‌کنیم. می‌دانیم که دمای عالم متناسب با عکس انبساط تغییر می‌کند. یعنی می‌توان با تقریبی مناسب این‌طور فرض کرد که وقتی ابعاد عالم صد میلیون مرتبه کوچک‌تر بود، دمایش هم صد میلیون بار بیشتر بود؛ چیزی حدود 300 میلیون درجه کلوین. در این دما ماده به‌صورت سوپی داغ از پلاسما بود. این ماده باید با توزیعی نسبتا یکنواخت بوده باشد؛ با افت‌وخیزهای ناچیزی در چگالی. در فیزیک با داشتن افت‌وخیزهای چگالی در مقیاس‌های مختلف می‌توان میزان این افت‌وخیزها را مشخص کرد. پرسش اساسی این است که الگوی این افت‌وخیزها چیست؟ فیزیک‌دانان ماده تاریک را به دو دسته داغ و سرد تقسیم می‌کنند. این دو نوع ماده تاریک به الگوهای مختلف افت‌وخیز چگالی در عالم منجر می‌شوند؛ بنابراین برای شکل‌گیری ساختارها مراحل تحولی متفاوتی به دست می‌آید.
برای شروع بحث ابتدا باید دو مفهوم داغ و سرد را درباره ماده تاریک بدانیم. فرض دانشمندان بر این است که ماده تاریک نوعی ذره عجیب است و فرض می‌شود ذرات ماده تاریک از نظر الکتریکی خنثی هستند. در واقع ویژگی کلیدی این ذره جرم آن خواهد بود. بیایید فرض کنیم جرم ذره ماده تاریک در قیاس با دیگر ذرات بنیادی شناخته‌شده در مدل استاندارد بسیار کم باشد. برای درک بهتر جرم الکترون پنج‌دهم مگاالکترون‌ولت است. حال فرض کنید جرم ذره ماده تاریک 10 الکترون‌ولت است؛ یعنی پنجاه50 هزار بار سبک‌تر از الکترون. ازآنجایی‌که در عالم اولیه فاصله‌ها بسیار کمتر بود، تمام ذرات با هم برخورد می‌کردند و برهم‌کنش داشتند یعنی به دمای مشترکی رسیده بودند. در فیزیک دمای یک سامانه معیاری است از انرژی جنبشی تک‌تک ذرات آن سامانه. با این حساب در عالم اولیه یا حتی بهتر است بگوییم عالم بسیار اولیه هم ذرات ماده تاریک و هم الکترون‌ها بايد انرژی جنبشی یکسانی می‌داشتند، اما ازآنجایی‌که ذرات ماده تاریک مطابق با همان فرض اولیه بسیار سبک‌تر از الکترون است، برای آنکه انرژی جنبشی یکسانی با الکترون داشته باشد باید بسیار سریع‌تر حرکت می‌کرد. همچنان که با انبساط عالم
دما پایین آمده و عالم سرد می‌شد، مرحله‌ای فرا رسید که ذره ماده تاریک کاملا از بقیه ماده جدا شد. اگرچه هنوز هم ذره ماده تاریک با سرعت زیادی حرکت می‌کرد. صفت «داغ» به این معناست که وقتی ذره ماده تاریک از بقیه ماده جدا شد کماکان با سرعت خیلی زیاد، سرعتی قابل‌مقایسه با سرعت نور حرکت می‌کرد. از سوی دیگر اگر ذره ماده تاریک بسیار سنگین‌تر از ذرات بنیادی شناخته‌شده باشد، وضعیتی که در بالا توصیف شد برعکس می‌شود. برای مثال جرم پروتون، ذره‌ای که خود از سه کوارک ساخته شده و در ساختار هسته یافت می‌شود، یک گیگا الکترون‌ولت است. حال ذره ماده تاریکی را در نظر بگیرید که 50 برابر پروتون یعنی 50 گیگاالکترون‌ولت جرم دارد. بر اساس استدلالی که بالا گفته شد در عالم اولیه چنین ذره ماده تاریکی بسیار کمتر از الکترون و پروتون داشتند و وقتی از ماده معمولی جدا شدند سرعت بسیار کمتری داشت. چنین ذره ماده تاریکی، ماده تاریک «سرد» نامیده می‌شود.
الگوی افت‌وخیزهای چگالی موجود در ماده تاریک در خلال مراحل اولیه تحول عالم به اینکه ماده تاریک از نوع سرد بوده یا داغ بستگی داشت. چنانچه ذرات بیش از حد سریع حرکت کنند، افت‌وخیزهای چگالی کوچک-مقیاس در ماده تاریک نمی‌توانند تقویت شوند. حرکت سریع ذرات موجب یکسان‌سازی چگالی ماده تاریک خواهد شد، اما اگر طول موج افت‌وخیز چگالی بزرگ‌تر از میانگین فاصله‌ای باشد که ذرات ماده تاریک پیمودند، آن‌گاه این فرایند نمی‌تواند مؤثر باشد. به همین دلیل است که درحالی‌که افت‌وخیزهای بزرگ-مقیاس ماده تاریک باقی می‌مانند؛ افت‌وخیزهای کوچک-مقیاس از بین می‌روند.
در ادامه باید جرم ماده تاریک را بدانیم. هیچ نوع اطلاعات مستقیمی در دست نیست. یکی از احتمالات مربوط به جرم ماده تاریک داغ، نوترینو است؛ با این پیش‌فرض که جرم نوترینو را غیرصفر در نظر بگیریم. فیزیک‌دانان از این واقعیت آگاه‌اند که جرم نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو به ترتیب ۱۲، ۲۵۰ کیلوالکترون‌ولت و ۳۵ مگاالکترون‌ولت است. سناریوهای دیگری هم برای ذره ماده تاریک سرد وجود دارد. این تمام ماجرا نیست. در عالم عامل ناشناخته دیگری وجود دارد که «انرژی تاریک» نام گرفته و بیشترین سهم از آنچه عالم را تشکیل داده، به خودش اختصاص داده است. انرژی تاریک راز سر‌به‌مهر عالم است و نقش مهمی در تحول عالم دارد.
عامل اصلی در شکل‌گیری ساختارها در عالم، در مقیاس بزرگ افت‌وخیز چگالی ماده تاریک است. ساختارهایی که در عالم کنونی مشاهده می‌کنیم آشکارا به نوع افت‌وخیزهای ماده تاریک ارتباط دارند. حال می‌خواهیم نگاهی دقیق‌تر به این افت‌وخیزها بیندازیم.
با مراحل بسیار اولیه ابعاد عالم یعنی زمانی که صد میلیون بار کوچک‌تر از اندازه فعلی‌اش است، شروع می‌کنیم. می‌دانیم که دمای عالم متناسب با عکس انبساط تغییر می‌کند. یعنی می‌توان با تقریبی مناسب این‌طور فرض کرد که وقتی ابعاد عالم صد میلیون مرتبه کوچک‌تر بود، دمایش هم صد میلیون بار بیشتر بود؛ چیزی حدود 300 میلیون درجه کلوین. در این دما ماده به‌صورت سوپی داغ از پلاسما بود. این ماده باید با توزیعی نسبتا یکنواخت بوده باشد؛ با افت‌وخیزهای ناچیزی در چگالی. در فیزیک با داشتن افت‌وخیزهای چگالی در مقیاس‌های مختلف می‌توان میزان این افت‌وخیزها را مشخص کرد. پرسش اساسی این است که الگوی این افت‌وخیزها چیست؟ فیزیک‌دانان ماده تاریک را به دو دسته داغ و سرد تقسیم می‌کنند. این دو نوع ماده تاریک به الگوهای مختلف افت‌وخیز چگالی در عالم منجر می‌شوند؛ بنابراین برای شکل‌گیری ساختارها مراحل تحولی متفاوتی به دست می‌آید.
برای شروع بحث ابتدا باید دو مفهوم داغ و سرد را درباره ماده تاریک بدانیم. فرض دانشمندان بر این است که ماده تاریک نوعی ذره عجیب است و فرض می‌شود ذرات ماده تاریک از نظر الکتریکی خنثی هستند. در واقع ویژگی کلیدی این ذره جرم آن خواهد بود. بیایید فرض کنیم جرم ذره ماده تاریک در قیاس با دیگر ذرات بنیادی شناخته‌شده در مدل استاندارد بسیار کم باشد. برای درک بهتر جرم الکترون پنج‌دهم مگاالکترون‌ولت است. حال فرض کنید جرم ذره ماده تاریک 10 الکترون‌ولت است؛ یعنی پنجاه50 هزار بار سبک‌تر از الکترون. ازآنجایی‌که در عالم اولیه فاصله‌ها بسیار کمتر بود، تمام ذرات با هم برخورد می‌کردند و برهم‌کنش داشتند یعنی به دمای مشترکی رسیده بودند. در فیزیک دمای یک سامانه معیاری است از انرژی جنبشی تک‌تک ذرات آن سامانه. با این حساب در عالم اولیه یا حتی بهتر است بگوییم عالم بسیار اولیه هم ذرات ماده تاریک و هم الکترون‌ها بايد انرژی جنبشی یکسانی می‌داشتند، اما ازآنجایی‌که ذرات ماده تاریک مطابق با همان فرض اولیه بسیار سبک‌تر از الکترون است، برای آنکه انرژی جنبشی یکسانی با الکترون داشته باشد باید بسیار سریع‌تر حرکت می‌کرد. همچنان که با انبساط عالم
دما پایین آمده و عالم سرد می‌شد، مرحله‌ای فرا رسید که ذره ماده تاریک کاملا از بقیه ماده جدا شد. اگرچه هنوز هم ذره ماده تاریک با سرعت زیادی حرکت می‌کرد. صفت «داغ» به این معناست که وقتی ذره ماده تاریک از بقیه ماده جدا شد کماکان با سرعت خیلی زیاد، سرعتی قابل‌مقایسه با سرعت نور حرکت می‌کرد. از سوی دیگر اگر ذره ماده تاریک بسیار سنگین‌تر از ذرات بنیادی شناخته‌شده باشد، وضعیتی که در بالا توصیف شد برعکس می‌شود. برای مثال جرم پروتون، ذره‌ای که خود از سه کوارک ساخته شده و در ساختار هسته یافت می‌شود، یک گیگا الکترون‌ولت است. حال ذره ماده تاریکی را در نظر بگیرید که 50 برابر پروتون یعنی 50 گیگاالکترون‌ولت جرم دارد. بر اساس استدلالی که بالا گفته شد در عالم اولیه چنین ذره ماده تاریکی بسیار کمتر از الکترون و پروتون داشتند و وقتی از ماده معمولی جدا شدند سرعت بسیار کمتری داشت. چنین ذره ماده تاریکی، ماده تاریک «سرد» نامیده می‌شود.
الگوی افت‌وخیزهای چگالی موجود در ماده تاریک در خلال مراحل اولیه تحول عالم به اینکه ماده تاریک از نوع سرد بوده یا داغ بستگی داشت. چنانچه ذرات بیش از حد سریع حرکت کنند، افت‌وخیزهای چگالی کوچک-مقیاس در ماده تاریک نمی‌توانند تقویت شوند. حرکت سریع ذرات موجب یکسان‌سازی چگالی ماده تاریک خواهد شد، اما اگر طول موج افت‌وخیز چگالی بزرگ‌تر از میانگین فاصله‌ای باشد که ذرات ماده تاریک پیمودند، آن‌گاه این فرایند نمی‌تواند مؤثر باشد. به همین دلیل است که درحالی‌که افت‌وخیزهای بزرگ-مقیاس ماده تاریک باقی می‌مانند؛ افت‌وخیزهای کوچک-مقیاس از بین می‌روند.
در ادامه باید جرم ماده تاریک را بدانیم. هیچ نوع اطلاعات مستقیمی در دست نیست. یکی از احتمالات مربوط به جرم ماده تاریک داغ، نوترینو است؛ با این پیش‌فرض که جرم نوترینو را غیرصفر در نظر بگیریم. فیزیک‌دانان از این واقعیت آگاه‌اند که جرم نوترینوی الکترون، نوترینوی میون و نوترینوی تاو به ترتیب ۱۲، ۲۵۰ کیلوالکترون‌ولت و ۳۵ مگاالکترون‌ولت است. سناریوهای دیگری هم برای ذره ماده تاریک سرد وجود دارد. این تمام ماجرا نیست. در عالم عامل ناشناخته دیگری وجود دارد که «انرژی تاریک» نام گرفته و بیشترین سهم از آنچه عالم را تشکیل داده، به خودش اختصاص داده است. انرژی تاریک راز سر‌به‌مهر عالم است و نقش مهمی در تحول عالم دارد.