فرضیه ماده تاریک کامل نیست اما فرضیه‌های جایگزین آن بدترند!
شاید شما فرضیه‌ی ماده‌ی تاریک، ذره‌ای فرضی که بیشتر جرم کیهان را تشکیل می‌دهد، نپسندید. این هم درست است که این فرضیه کاستی‌هایی دارد و البته، هنوز هیچ ذره‌ای از این ماده کشف نشده است، اما حقیقت این است که فرضیه‌های جایگزین ماده‌ی تاریک، بسیار بدتر هستند.
در جهان ما رازهای غیرقابل توضیح بسیاری وجود دارد که بخش زیادی از آن‌ها به گرانش مربوط می‌شود. با بررسی حرکت ستاره‌ها حول مرکز کهکشان‌ها درمی‌یابیم که اگر فقط گرانش ماده‌ی مرئی آن‌ها را در مدارهای فعلی نگه می‌داشت، باید بسیار آهسته‌تر حرکت می‌کردند.
کهکشان‌هایی هم که اطراف خوشه‌های کهکشانی می‌گردند، با توجه به مقدار جرم قابل مشاهده در خوشه‌ها، حرکت بسیار سریعی دارند. از سوی دیگر همین خوشه‌ها، نور پس‌زمینه را بیش از توان ماده‌ی قابل مشاهده خم می‌کنند. حتی ساختارهای بزرگ‌مقیاس در جهان ما، بدون درنظر گرفتن یک منبع جرم اضافی، باید بسیار کندتر تشکیل می‌شدند.
در حال حاضر بهترین فرضیه‌ای که دانشمندان برای توضیح همه‌ی این مشاهدات متفاوت دارند، این است که نوع جدیدی از ذره، به نام ماده‌ی تاریک در کیهان وجود دارد که مسؤول این چیدمان کیهانی است. این ذره تقریبا به‌طور کامل نامرئی است و به همین دلیل تاریک نام گرفته است. از سویی برهم‌کنشی با ماده‌ی معمولی ندارد یا به‌ندرت برهم‌کنش دارد.
این ایده آن‌قدر هم که به‌نظر می‌رسد، دور از ذهن نیست. نوترینوها ذراتی هستند که دقیقا چنین خصوصیاتی دارند. آن‌ها جرم کافی برای توضیح ماده‌ی تاریک ندارند، اما نشان می‌دهند که چنین ذراتی می‌توانند وجود داشته باشند.
با این وجود فرضیه‌ی «ماده‌ی تاریک» (Dark Matter) کامل نیست. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از رشد کهکشان‌ها، نشان می‌دهند که کهکشان‌های تحت سلطه‌ی ماده تاریک باید چگالی فوق‌العاده بالایی در مرکز خود داشته باشند. مشاهدات کهکشان‌های واقعی هم چگالی بالاتری را در هسته‌های آن‌ها نشان می‌دهد، اما به اندازه‌ای که شبیه‌سازی‌ها پیش‌بینی می‌کنند، نیست.
همچنین، شبیه‌سازی‌های ماده‌ی تاریک در زمان تکامل کیهان پیش‌بینی می‌کنند که هر کهکشانی باید صدها قمر کهکشانی کوچک‌تر داشته باشد، در حالی که مشاهدات این تعداد را نشان نمی‌دهند.
فرضیه‌ی «ماند» (MOND)
با توجه به اینکه فرضیه‌ی ماده‌ی تاریک کامل نیست و هیچ مدرک مستقیمی برای وجود ذرات این فرضیه نداریم، می‌توان گزینه‌های دیگری را هم مطرح کرد.
یکی از این گزینه‌ها در دهه‌ی ۱۹۷۰ میلادی در کنار ایده‌ی اصلی ماده‌ی تاریک و زمانی معرفی شد که ستاره‌شناس «ورا روبین» (Vera Rubin) برای اولین بار مشکل حرکت بیش از حد سریع ستارگان در کهکشان‌ها را کشف کرد.
اما فرضیه‌ی جایگزین به جای افزودن یک عنصر جدید مثل ماده‌ی تاریک به کیهان، با تغییر شیوه‌ی عملکرد گرانش در مقیاس کهکشانی، حرکت‌ها را توضیح می‌دهد. این فرضیه «دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده» (Modified Newtonian Dynamics) یا «ماند» (MOND) نام گرفته است. هرچند این نام برای دیگر نظریه‌های برگرفته شده از این ایده‌ی اصلی هم به‌کار می‌رود.
فرضیه‌ی MOND بیان می‌کند که در مقیاس‌های سیاره‌ای یا ابعاد منظومه‌ی شمسی، گرانش نیوتنی به خوبی کار می‌کند. البته به جز مواردی که به محاسبات دقیق گرانش نیاز است و توسط نسبیت عام توضیح داده می‌شود. اما به محض اینکه به مقیاس بزرگ‌تری بروید، رابطه‌ی آشنای قانون دوم نیوتن (F=ma)، به‌طور کامل اعمال نمی‌شود و رابطه‌ی نیرو و شتاب از قانون متفاوتی پیروی می‌کند.
تحت فرضیه‌ی MOND، نیازی به وجود ذره‌ی اضافی برای توضیح رصدها وجود ندارد و فقط یک تغییر جزئی در نیروی گرانش کافی است. از طرفی چون این تغییر گرانش تحت MOND کاملا برای توضیح حرکت ستارگان در کهکشان‌ها تعریف شده است، طبیعتا این کار را به‌خوبی انجام می‌دهد.
این فرضیه همچنین بر خلاف فرضیه‌ی ماده‌ی تاریک، به شکل‌گیری بیش از حد قمرهای کهکشانی و هسته‌های کهکشانی بسیار چگال نیاز ندارد.
نقص بزرگ
با این وجود MOND هم اشکالات عمده‌ای دارد. تغییراتی که برای توضیح حرکات ستارگان در روابط گرانشی انجام شده است، در توضیح حرکت کهکشان‌ها در خوشه‌ها و لنز گرانشی نور پس‌زمینه نقص دارند.
علاوه بر این، در حالی که همه‌ی نظریه‌های مدرن فیزیک باید با نسبیت خاص سازگار باشند، MOND یک نظریه‌ی کاملا نسبیتی نیست. یک اصلاح روی MOND نظریه‌ای است که TeVeS نام دارد و می‌تواند با نسبیت عام رقابت کند اما باز هم کمبودهای زیادی دارد.
مدل‌های مبتنی بر گرانش اصلاح‌شده، در توضیح رشد ساختارهای کیهانی، ویژگی‌های پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی و موارد دیگر مشکلات اساسی دارند، در حالی که ماده‌ی تاریک در توضیح همه‌ی این‌ها به خوبی جواب می‌دهد.
هیچ نظریه‌ای بر پایه‌ی MOND وجود ندارد که بتواند تک‌تک مشاهدات را به‌خوبی ماده‌ی تاریک توضیح دهد. همه‌ی این نوع نظریه‌ها، حداقل در یک آزمون رد می‌شوند.
برای نمونه در حالی که MOND ممکن است نمودارهای چرخش کهکشان‌ها را به دقت توضیح دهد، اما مشاهدات کافی وجود دارد که نشان می‌دهد ما برای پایدار بودن کهکشان‌ها و در مجموع بودن در کیهان، همچنان به ماده‌ی تاریک نیاز داریم.
بنابراین هرچند فرضیه‌ی ماده تاریک کامل نیست اما فرضیه‌ی علمی بهتری هم وجود ندارد. هنگام ارزیابی فرضیه‌های رقیب ماده‌ی تاریک، دانشمندان نمی‌توانند فقط به احساس خود تکیه کنند یا فرضیه‌ای را انتخاب کنند که جالب‌تر و ساده‌تر به‌نظر می‌رسد، بلکه باید دید که شواهد چه چیزی را نشان می‌دهند.
تقریبا در ۵۰ سال گذشته، هیچ کس نظریه‌ی MOND-مانندی ارائه نکرده است که بتواند اطلاعات فراوانی را که در مورد جهان داریم، توضیح دهد. این نشان‌دهنده‌ی غلط بودن MOND نیست، اما آن را جایگزین بسیار ضعیف‌تری نسبت به فرضیه‌ی ماده‌ی تاریک می‌کند.
عکس کاور: ابر ماژلانی کوچک، یکی از کهکشان‌های قمر راه شیری و توزیع ماده‌ی تاریک آن در یک نیمه، که به‌صورت گرافیکی نشان داده شده است.
Credit: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University
منبع: Space
