در جست‌وجوی تاریکی‌های گیتی

حسن فتاحی: حالا که مشغول نوشتن این مقاله کوتاه هستم، بامداد سه‌شنبه است؛ روزی از روزهای پاییزی که اگر در جایی زندگی کنید که خرد بر آن حاکم باشد، زیبایی‌های آن با برگ‌های رنگارنگ و کمی سرمای دلنشین، بسیار شیرین است. در چنین هوایی و در دل شب‌های آن، دیدن ستارگان و نوشتن از آسمان لذتی توصیف‌نشدنی دارد؛ اما افسوس که برای ما در تهران و بسیاری از شهرهای ایران چنین نیست. چند روزی است هوا بسیار آلوده است و چنان است که ستاره‌ای در آسمان پیدا نیست. امروز برای یک پرونده دادگاهی هفت‌ساله، با کسی قرار ملاقات داشتم تا بلکه بتوانیم این زخم کهنه را که اراده‌ای برای درمانش نیست، نیشتری بزنیم. با خود می‌اندیشیدم درباره چه بنویسم. یادم آمد درباره تلسکوپ فضایی اقلیدس چیزی ننوشته‌ام و البته توجه افراد به آن بسیار کمتر از تلسکوپ جیمز وب بود. این در حالی است که تلسکوپ اقلیدس بناست به دو پرسش بسیار اساسی پاسخ دهد؛ اینکه «ماده تاریک» و «انرژی تاریک» چیست. بی‌شک رازگشایی از این دو راز سربه‌مهر گیتی، با خود کمترین چیزی که به همراه دارد، جایزه نوبل است. شاید مهم‌ترین آن هم بینشی نو از گیتی برای انسان خردمند باشد. گیتی ما از سه چیز ساخته شده است؛ ماده معمولی، ماده تاریک و انرژی تاریک. ماده معمولی که سازنده چهار درصد از گیتی است، ‌دربرگیرنده‌ هر آنچه است که می‌بینیم. ستارگان و کهکشان‌ها و سیاره‌ها و هر آنچه از ذراتی مانند الکترون و پروتون و نوترون ساخته شده است؛ اما ماده تاریک و انرژی تاریک که روی‌هم‌رفته 96 درصد گیتی را شامل می‌شوند، چه هستند. این پرسش تاکنون بی‌پاسخِ قطعی مانده؛ اما دانشمندان برایش سناریوها و پاسخ‌های بسیاری دارند. حال برای گامی بزرگ و عبور از تاریکی ماده و انرژی، تلسکوپ فضایی اقلیدس را راهی فضا کرده‌اند.

تلسکوپ فضایی اقلیدس

اقلیدس نام یکی از ریاضی‌دانان یونان باستان است که نامش روی یکی از رویکردهای هندسه در سراسر جهان طنین‌انداز است. امروزه هرکسی که در دبیرستان درس بخواند و با ریاضیات و هندسه سر‌و‌کار داشته باشد، می‌داند «هندسه اقلیدسی» چیست. حالا نام این دانشمند بزرگ که 300 سال پیش از زایش مسیح می‌زیسته و از او با نام پدر هندسه یاد می‌شود، روی یکی از تلسکوپ‌های فضایی نهاده شده که بناست در نقطه‌ لاگرانژی موسوم به اِل-2 قرار گیرد. این نقطه همان نقطه‌ای است که تلسکوپ جیمز وب هم قرار دارد. نقاط لاگرانژی که در دورایی‌های گوناگونی از سامانه زمین-خورشید هستند، به زبان ساده نقطه‌هایی فرضی هستند که در آنجا برایند نیروهای وارد بر جسم از سوی زمین و خورشید چنان است که آن جسم می‌تواند در آنجا پیرامون آن نقطه فرضی بگردد و البته به دور خورشید هم در گردش باشد. زمین پنج نقطه لاگرانژی دارد که تلسکوپ جیمز وب هم پیش‌تر در یکی از آن نقاط قرار گرفت که اقلیدس رهسپار آن است. این دو به هم برخورد نخواهند کرد؛ چون مدارشان حول آن نقطه فرضی کاملا متمایز است و کاری به یکدیگر ندارند. تلسکوپ فضایی اقلیدس با هزینه ساخت 606 میلیون‌یورویی در نخستین روز ماه جولای 2023 از یک پایگاه فضایی در فلوریدای آمریکا پرتاب شد. وزن پرتابه (درست‌تر است بگوییم جرم پرتابه) دو هزار کیلوگرم بود و اندازه‌های آن 4.5 متر در 3.1 متر است. مدت مأموریت آن را شش سال در نظر گرفته‌اند؛ اما به نظر می‌رسد اگر حادثه‌ای برایش رخ ندهد، بیش‌ از این زمان کار خواهد کرد. قطر آینه این تلسکوپ 1.2 متر است؛ اما آنچه اقلیدس را شاخص کرده، توان داده‌گیری و پدید‌آوردن عکس‌هایی با جزئیات بالاست. این تلسکوپ برای سه کار اساسی طراحی شده است؛ یکی سازوکار ماده تاریک و انرژی تاریک؛ و دیگری فراروندهای دگرگشتی نخستین کهکشان‌های گیتی. به زبان ساده اقلیدس بناست به سه پرسش پاسخ دهد. ماده تاریک چیست؟ انرژی تاریک چیست؟ نخستین کهکشان‌های گیتی چگونه پدید آمده و دگرگشت‌شان چگونه بود؟ در این مقاله کوتاه کمی بیشتر درباره ماده تاریک و انرژی تاریک خواهیم آموخت. تلسکوپ اقلیدس بناست با تکیه بر جایی که قرار گرفته، ابزارهایی که دارد و نیز روش‌های رایانشیِ پردازش عکس، یکی از دقیق‌ترین نقشه‌برداری‌ها از ساختار گیتی را تولید کند و به زبان ساده بخش‌هایی از آسمان فراسوی کهکشان راه شیری را جاروب کند. بد نیست اشاره کنم که پروژه تلسکوپ اقلیدس از ترکیب دو پروژه با نام‌های «دوون» و «اسپیس» شکل گرفت و بیش از دو هزار دانشمند از 300 انستیتوی پژوهشی و چندین کشور در آن مشارکت دارند. باز بد نیست اشاره کنم که این تلسکوپ با موشک فالکون-9 به فضا پرتاب شد که سازنده آن موشک شرکت «اسپیس‌ایکس» معروف است. این تلسکوپ هم مانند جیمز وب یک سپر محافظ دارد تا تلسکوپ و ابزارهایش زیر فشار تابشی پرتوهای خورشید آسیب نبیند. همچنین صفحه‌های خورشیدی دارد تا انرژی لازم را کسب کند و با سوخت هیدرازینی تغییر مسیر بدهد. اقلیدس هم آینه دارد، هم عدسی. دو ابزار اصلی هم دارد. یکی تصویربردار مرئی که برای باند نور مرئی است و دیگری طیف‌سنج و فوتومتر فروسرخ نزدیک. دوربین مرئی این تلسکوپ با توان 600 مگا‌پیکسل بناست در محدوده نور مرئی یا نور دیدگانی با روش «مکث و خیره» از یک جرم اخترشناختی عکس‌های زیادی بگیرد. با هم ترکیب کند و پردازش کند و به زمین مخابره کند. طیف‌سنج و فوتومتر فروسرخ نزدیک این تلسکوپ هم بناست چند کار اساسی را پیش ببرد. نخست اینکه کهکشان‌های با انتقال‌ به‌ سرخ یا «قرمزکیب» بالا را بیابد که در مسافتی در حدود 10 میلیارد سال نوری از ما هستند. همچنین ترکیب شیمیایی‌شان را بیابد و مکان‌یابی‌شان را در نقشه سه‌بعدی از گیتی مشخص کند. تمام این کارها اقلیدس را به یافتن پاسخ آن سه پرسش هدایت خواهد کرد.

ماده تاریک

ماده تاریک چیست؟ این پرسش کوتاه دهه‌های زیادی است که خواب از چشمان اخترفیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان ربوده است؛ بلکه بتوانند کمی به پاسخ این پرسش نزدیک شوند. اجازه دهید نخست نگاهی به تعریف کلاسیک آن در کتاب «فرهنگ فیزیک» نوشته استادان بازنشسته فیزیک کشورمان، لطیف کاشیگر و عبدالحسن بصیره، بیندازیم؛ اما پیش‌ازآن اگرچه از موضوع دور می‌شویم؛ اما یادآوری این نکته ضروری است که این فرهنگ سه‌جلدی بهترین مرجع فیزیک است. در این فرهنگ درباره ماده تاریک چنین نوشته شده است: «ماده تاریک که به آن ماده گمشده یا جرم گمشده هم می‌گویند، جرمِ ماده پنهان در گیتی که به‌ طور مستقیم مشاهده‌ناپذیر است. مشاهده‌ناپذیری از روی گسیل یا جذب تابش الکترومغناطیسی؛ اما از بودن آن [تا اندازه خیلی زیادی] اطمینان داریم. این اطمینان برگرفته از کاوش‌ها و تحلیل‌های اخترشناختی است؛ زیرا شماری از پدیده‌های اخترشناختی نشان می‌‌دهند جرم گیتی [یا درواقع جرم ساختارهای بزرگ‌مقیاس مانند کهکشان‌ها و ورای آن] از آنچه از نپاهش‌ها یا رصدهای انجام‌گرفته با تلسکوپ‌های نوری و رادیویی و... برآورد کرده‌اند، بسیار بیشتر است. نزدینانه (به‌ طور تقریبی و تخمینی) 23 درصد از جرم گیتی را ماده تاریک می‌سازد. این ماده نامرئی و نادیده به دلیل حضور گرانشی‌اش، وجودش ثابت شده است. اینکه ماده تاریک چیست، گمانه‌زنی‌هایی وجود دارد. از رده‌ ویژه‌ای از سیاه‌چاله‌ها گرفته تا ستارگان فشرده و کوتوله‌ها و حتی دیدگاه‌هایی از ریسمان‌ها و نوترینوها و ذره‌های دیگر نام برده می‌شود. اگرچه نمی‌دانیم ماده تاریک چیست؛ اما می‌دانیم به دلیل وجودش جرم گیتی بیش از آنچه می‌بینیم، است». آنچه خواندید معرفی کوتاه از ماده تاریک بود؛ اما اجازه دهید به زبان خیلی ساده بگویم که چه شد که اخترشناسان فهمیدند ماده تاریک وجود دارد؟ بگذارید با مدلی ساده از راژمان یا سامانه خورشیدی آغاز کنم. در سامانه خورشیدی که خورشید در مرکز است و بزرگ‌ترین جرم این سامانه است، آن‌چنان بزرگ که جرم تمام سیاره‌ها روی یکدیگر در برابر جرم خورشید، پر کاهی را می‌ماند. در این سامانه سیاره‌ها به گرد خورشید در گردش‌اند. نزدیک‌ترین سیاره، یعنی تیر یا عطارد، بسیار تند و تیزپا است و به‌همین‌ترتیب هرچه از خورشید دور می‌شویم، از تندی گردش سیاره‌ها به گرد خورشید کاسته می‌شود. برای نمونه زمین با تندی 30 کیلومتر بر ساعت به گرد خورشید می‌چرخد و سیاره بهرام یا مریخ با سرعت حدودی 24 کیلومتر بر ثانیه. با دردست‌داشتن اصول فیزیک درمی‌یابیم که این کاهش سرعت بسیار بدیهی است. حال تصور کنید تمام سیاره‌ها، مستقل از دورایی‌شان از خورشید که از 58 میلیون کیلومتر آغاز (سیاره تیر) و تا حدود شش میلیارد کیلومتر (کوتوله-سیاره پلوتو) ادامه دارد، با سرعتی تقریبا نزدیک به هم به گرد خورشید بگردند. به زبان دیگر، اگر شما نمودار دومحوریِ سرعت –دورایی را برای سیاره‌های سامانه خورشیدی بکشید، نتیجه یک خم یا منحنی خواهد بود که با افزایش دورایی، سرعت هم کم می‌شود. حال تصور کنید چه می‌شد اگر این خم یا منحنی چیزی شبیه به خط صاف بود و تمام سیاره‌ها با یک سرعت تا حدی نزدیک به هم، بر گرد خورشید می‌گشتند. بیایید مقیاس را بزرگ‌تر کنیم و به کهکشان‌ها برویم. همین کهکشان راه شیری خودمان را در نظر بگیرید. از این‌سو تا آن‌سوی آن چیزی در حدود صد هزار سال نوری و بیشتر است که اجرام اخترشناختی که مهم‌ترین‌شان ستارگان هستند، در آن توزیع شده‌اند. ستارگان در کهکشان راه شیری در ساختارهایی با نام بازو که گویی به دور مرکز کهکشان پیچیده شده‌اند، می‌گردند. مرکز کهکشان راه شیری جایی است که در مرکز آن یک سیاه‌چاله پرجرم خفته است و ستارگان نسبتا کهن‌سال‌تر با دورایی‌های نزدیک‌تر به هم، نسبت به میانه و کرانه کهکشان، قرار دارند. با در دست داشتن الگوی گردش سیاره‌های سامانه خورشیدی، انتظار داریم در کهکشان هم ستارگان چنین باشند. یعنی هرچه از مرکز کهکشان دورتر می‌شوند، سرعت گردش آنها به دور مرکز کهکشان کمتر باشد. یعنی به زبان ساده، چیزی شبیه همان خمِ کاهشی در سامانه خورشیدی. تا سال‌ها گمان اخترشناسان بر این بود که چنین است. اما پژوهش‌های اخترشناسان در دهه‌های پیشین نشان داد چنین نیست! حال اجازه دهید از زاویه‌ای دیگر به ماده تاریک نگاه کنیم. آلبرت اینشتین نشان داد که میدان گرانشی سبب خمیدگی فضا-زمان می‌شود. این خمیدگی دربرگیرنده میدان گرانشی هم است. یعنی هرآنچه جرم دارد سبب ایجاد خمیدگی در بافتار (بافت و ساختار) فضا-زمان می‌شود. برای اینکه تصوری آسان پیدا کنید، تصور کنید یک فرش دوازده‌متری داریم که از جنس لاستیکی کشسان ساخته شده است. اگر روی این لاستیک یک گوی فلزی قرار دهیم، این گوی یک فرورفتگی ساخته و در دل آن فرو می‌رود. هرچه گوی سنگین‌تر باشد، میزان خم‌شدگی بیشتر خواهد شد. آنچه نیوتن به آن نیروی گرانش می‌گفت درواقع میدان گرانشی و کنش دو جسم جرم‌دار مانند زمین و خورشید در فضا-زمان است. اینشتین نشان داد که پرتو نور هم وقتی در کنار جرمی مانند خورشید می‌گذرد، خم می‌شود که به آن در اصطلاح خمیدگی نور می‌گویند. وقتی پرتو نوری از ستاره‌ای دوردست یا کهکشانی دوردست به سمت زمین می‌آید و مسیرش به گونه‌ای است که باید از نزدیکی خورشید عبور کند، جرم خورشید سبب خمیدگی نور می‌شود. این موضوع بارها آزموده شده و یکی از پیش‌بینی‌های اینشتین بوده است. حال بیایید مقیاس را بزرگ‌تر کنیم. تصور کنید در دوردست‌های گیتی از کهکشانی که چند میلیون و میلیارد سال نوری از زمین دور است، نوری به‌سوی زمین می‌آید. این نور در راه رسیدن به زمین از کنار جسم‌های بسیار پرجرم مانند خوشه‌های کهکشانی عبور می‌کند. آنچه می‌بینیم خمش نور است. این نور از دو طرف این جسم پرجرم چنان خم شده و عبور می‌کند که گویی این جسم پرجرم مانند یک عدسی عمل کرده و نور را خم می‌کند. این رویداد در عدسی‌های نوری رخ می‌دهد و نور را همگرا می‌کنند اما در اینجا جرم زیاد نقش‌آفرینی می‌کند که به آن عدسی گرانشی می‌گویند. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، توانمندی عدسی گرانشی در خمیدگی بیشتر خواهد بود. حال می‌خواهم نشان دهم این دو مثال بالا چه ارتباطی به ماده تاریک دارد و تلسکوپ اقلیدس بناست چه چیزی را کشف کند. در مثال نخست آنچه مایه شگفتی بود، سرعت تا حدی شبیه گردش ستارگان در جای‌جای کهکشان به دور مرکز آن بود. رفتاری متفاوت با رفتار سیاره‌های سامانه خورشیدی. می‌دانیم که بیشترین تراکم جرم در کهکشان‌ها در مرکز آنهاست و انتظار داریم هرچه دورتر می‌رویم از تراکم کاسته شود. این کاهش تراکم باید سبب کاهش سرعت گردش شود. آن‌چنان‌که نیروی گرانشی عمل‌کننده از مرکز کهکشان با نسبت دورایی ستارگان بیشتر می‌شود. اما آنچه شگفت‌انگیز است، این است که سرعت ستارگان روندی آن‌چنان‌که انتظار داریم کاهشی نیست و تقریبا سرعت‌ها مشابه است. نتیجه‌ای که می‌توان گرفت این است که در کرانه‌های کهکشان این کاهش جرم با چیزی جبران شده است، اما با چه؟ با ماده تاریک. در مثال عدسی گرانشی هم چنین است. محاسبات نشان می‌دهند که جرم آن خوشه‌های کهکشانی چقدر است. منظور ما از جرم، همان ستارگان و ابرهای مولکولی و هر ماده موجود در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی است؛ اما آنچه عجیب می‌نماید، این است که آن مقدار جرم اصلا برای ایجاد چنان خمیدگی کافی نیست. گویی جرم کهکشان خیلی بیش از آن چیزی است که می‌بینیم. حال پرسش این است که آن جرم گمشده چیست که ردپای گرانشی دارد اما هیچ نشانی از برهمکنش آن در دست نداریم. آنچه در پی‌اش هستیم ماده تاریک است. ردپای ماده تاریک را در جاهای دیگر هم می‌توان دید و این دو فقط نمونه‌هایی بودند از اینکه نشان دهم تلسکوپ اقلیدس به دنبال چه چیز مهمی است.

انرژی تاریک

انرژی تاریک چیست؟ این هم پرسشی کوتاه و تا حد زیادی بی‌جواب است. در بخش بالا اشاره کردم که ماده تاریک اگرچه برهمکنش ندارد اما رد پا دارد. انرژی تاریک هم چنین است. ما شاهدی در دست داریم که نشان می‌دهد چیزی از جنس انرژی وجود دارد که رفتار بزرگ‌مقیاس گیتی را در سیطره خودش دارد. اجازه دهید نخست تعریف آن را از کتاب فرهنگ فیزیک که بخش بالا معرفی کردم، بخوانیم. انرژی تاریک وابسته به این واقعیت است که شتاب انبساط گیتی روبه افزایش است. بدین معنا که ثابت کیهان‌شناختی می‌تواند مقداری ناصفر داشته باشد. تحلیل داده‌های کاوند ناهمسانگرد ریزموج ویلسون، موسوم به ماهواره دابلیومپ، نشان می‌دهد که در حدود 68 درصد گیتی را انرژی تاریک می‌سازد. از واژه انرژی استفاده می‌شود چون رفتارش چنین است. اخترشناسان نمی‌دانند خاستگاه انرژی تاریک چیست؛ اما هرچه باشد مهر تأییدی است بر انبساط همیشگی گیتی. شاید این پرسش پیش آید که از کجا می‌دانیم چنین چیزی وجود دارد. پاسخ در اندازه‌گیری شتاب انبساط گیتی است. امروزه دیگر انبساط گیتی امری بدیهی است و پابرجاترین و سربلندترین مدل کیهان‌شناسی، همان مدل مهبانگِ تورمی است. گیتی در پی مهبانگ زاده شده است. دوره‌ای با نام تورم را سپری کرده و سپس شتاب انبساط آن کند شده است؛‌ اما بار دیگر در پی پدیده‌ای که نام آن را انرژی تاریک گذاشته‌ایم، انبساط گیتی شتاب‌دار شده است. گویی چیزی از درون گیتی بر نیروی گرانش میان کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ‌تر از کهکشان‌ها که ویژگی ربایشی دارند، چیره شده و مانند چیزی که فشار منفی دارد یا چیزی که از درون گیتی به گیتی فشار وارد می‌کند تا هرچه بیشتر انبساط یابد، رفتار می‌کند. این ماهیت شگفت‌انگیز انرژی تاریک است و اقلیدس بناست رازش را برملا کند.