آیا خود گرانش سرچشمه "ماده تاریک" بوده؟

به پیشنهادِ یک مدل تازه برای کیهانِ آغازین، گراویتون (ذره‌ای که حامل نیروی مکانیک کوانتومی گرانش است) پیش از آن که ماده‌ی معمولی شانسی برای آغاز پیدا کند کیهان را پر از ماده‌ی تاریک کرده بوده.

این پیشنهاد می‌تواند راهی برای پیوند دادن دو تا از بزرگ‌ترین چیستان‌های برجسته‌ی کیهان‌شناسی نوین باشد: سرشت ماده‌ی تاریک و تاریخ پَندام کیهانی (تورم).

ماده ی تاریک امروزه از دید دستگاه های پژوهشگران پنهان است

بسیاری از کیهان‌شناسان می‌پندارند زمانی که کیهان بی‌اندازه جوان بود (سنی کمتر از کسری از ثانیه)، دستخوش دوره‌ای از گسترش سریع شد که به نام پَندام یا تورم شناخته می‌شود. این روزگار پندامی برای فرگشتِ آینده‌ی کیهان کلیدی بود چرا که این گسترش باورنکردنی، نوسان‌ها یا اُفت و خیزهای کوانتومی میکروسکوپیِ فضا-زمان را به تخم‌هایی تبدیل کرد که سرانجام به ستارگان، کهکشان‌ها و خوشه‌ها تبدیل شدند.

خود رویداد راستینِ پندام به نسبت رازگونه است. برای نمونه، کیهان‌شناسان نمی‌دانند چه چیزی پندام را پدید آورد، چه چیزی به آن نیرو داد، چه مدت پایید یا کی فروکش کرد. ولی این تصویر کلی تنها چیزی‌ست که می‌تواند الگوهای دیده شده در پس‌زمینه‌ی ریزموج کیهانی (الگوی تابشِ پس‌تابی که در ۳۸۰ هزار سالگی کیهان پدید آمد) و پراکندگی بزرگ-مقیاس مواد در کیهان را توضیح دهد. آمار این الگوها با چیزی که در افت و خیزهای کوانتومی می‌بینیم همخوانی دارد و به کیهان‌شناسان اعتماد بنفس می‌دهد تا بپندارند که یک پیوند وجود دارد.

در پایان پندام، کیهان دیگر بسیار بزرگ‌تر از پیش شده بود. ولی بسیار تهی‌تر هم شده بود چرا که همه‌ی چیزهایی که در آن بود اکنون بسیار از هم دور شده بودند. تنها یک چیز به جا مانده بود: همان چیزی که از آغاز به پندام نیرو داد و سرانجام از تک و تا افتاد. کیهان‌شناسان این نیروی پیش‌برنده را "اینفلیتون" (یا اینفلاتون، inflaton) می‌خوانند و فکر می‌کنند یک میدان کوانتومی بوده که در همه‌ی فضا نفوذ کرده بوده.

با پایان پندام، اینفلیتون فروپاشید و کیهان را پر از ذره‌های گوناگونی که امروزه می‌بینیم کرد. پندام از بسیاری جهات مهبانگِ "راستین"  بود. اگر کیهانی را تصور کنید که ناگهان پر از ذرات می‌شود، پس این همان است.

ماده‌ی تاریک خاموش
پندام در پایان کارش همه‌ی ذره‌های شناخته شده را پدید آورد. پس شاید همین رویداد بود که ماده‌ی تاریک را هم پدید آورد. کیهان‌شناسان درست نمی‌دانند ماده‌ی تاریک از چه ساخته شده، ولی شواهد فراوانی هست که می‌گویند این چیز گونه‌ای ذره‌ی تازه و ناشناخته است. این ذره هر چه که باشد، بیش از ۸۰ درصد ماده‌ی درون کیهان را ساخته است.

فیزیکدانان دهه‌هاست که در جستجوی هر نشانه‌ای از برهم‌کنش مستقیم میان ذرات ماده‌ی تاریک و ماده‌ی معمولی هستند، ولی کاری از پیش نبرده‌اند. اگر ماده‌ی تاریک براستی یک ذره باشد، پس واقعا، واقعا علاقه‌ای به گفتگو [برهم‌کنش] با ماده‌ی معمولی ندارد. این نیافتنِ ماده‌ی تاریک برای داستانِ پندام بسیار آزاردهنده است، زیرا اگر ماده‌ی تاریک گفتگویی با ماده‌ی معمولی ندارد، پس دلیل کمی هست از این که چرا اینفلیتون باید در آغاز کیهان، ماده‌ی تاریک را به همراه ماده‌ی معمولی پدید می‌آورد.

اکنون، دو فیزیکدان در بنیاد فیزیک هلسینکی سازوکار (مکانیسم) تازه‌ای را برای پدید آمدن انبوهی از ماده‌ی تاریک در آغاز کیهان پیشنهاد کرده‌اند، حتی اگر اینفلیتون علاقه‌ای به تولید ماده‌ی تاریک نداشته. و این سازوکارِ تازه صرفا بر گرانش تکیه دارد.

ابن سازوکار، که فیزیکدانان پیش‌چاپ آن را در arXiv منتشر کرده‌اند، فرض بر این دارد که اینفلیتون و ماده‌ی تاریک گفتگویی با هم ندارند، بنابراین ذرات ماده‌ی تاریک در پایان پندام به روش معمولی پدید نیامده بودند.

این پژوهشگران رفتار اینفلیتون را درست پیش از واپاشی آن بررسی کردند. در پایان پندام، اینفلیتون درست پیش از آن که وابپاشد و جنگل ذرات در کیهان را بیافریند، مانند توپی که از بالای تپه به راه افتاده ولی هنوز آرام نگرفته در کیهان به راه افتاد و پخش شد.

کیهان‌شناسان این دوره را گامِ پیش‌گرمایشِ واپاشی اینفلیتون می‌خوانند و این می‌تواند به فیزیک‌های دیوانه‌واری بیانجامد. برای نمونه، در این گام کوتاه، خودِ گرانش می‌توانسته نقشی بزرگ داشته و به اینفلیتون اجازه دهد تا به ذره‌ی ماده‌ی تاریک بپیوندد. برای این کار، گرانش خود را به شکل حامل فرضی نیروی مکانیکی‌اش در می‌آورد: گراویتون. گراویتون معمولا در واکنش‌های ذرات شرکت نمی‌کند، ولی فیزیکدانان راهی برای پدیدار شدنِ آن در گام پیش‌گرمایشِ نزدیکِ به پایان پندام یافتند.

این دو فیزیکدان پی بردند هنگامی که گراویتون در این دوره، در برهم‌کنش‌ها پدیدار می‌شود، می‌تواند کانال‌هایی را برای اینفلیتون فراهم کند تا به ذرات ماده‌ی تاریک وابپاشد. پس ذرات ماده‌ی تاریک در آن هنگام پیش از آن که با نابودیِ کاملِ اینفلیتون، ماده‌ی معمولی پدیدار شود، حضور داشته‌اند.

این سازوکار تنها زمانی کار می‌کند که فضا سرگرم انجام کار شگفت‌انگیزی باشد، کاری مانند گسترش سریع در پندام. و بنابراین، هنگامی که سرانجام پندام در تواناییِ کیهان برای آفرینش دخالت کرد، ذرات ماده‌ی تاریک محو و نادیدنی شدند.

این فیزیکدانان مدل خود را به گونه‌ای تنظیم کردند که همان مقدار ماده‌ی تاریکی را که رصدهای کیهان نشان می‌دهند پدید بیاورند. با این همه، این هنوز یک کار نظری‌ست. از همه مهم‌تر، فیزیکدانان هنوز دقیقا مطمئن نیستند که گرانش چگونه با ذرات برهم‌کنش انجام می‌دهد. این رژیم و سازمانِ گرانش کوانتومی است، نظریه‌ای برای گرانشِ نیرومند در اندازه‌های کوچک که یک جام مقدس برای فیزیک نوین است. بنابراین، نویسندگانِ این پژوهش برای کار خود ناچار بودند فرض و پنداشت‌های بسیاری برای شیوه‌ی کارکرد گرانش در این اندازه‌های کوچک پدید بیاورند.

با این همه، این نظریه جالب است زیرا راهی برای کیهان آغازین فراهم می‌کند تا مقدار چشمگیری ماده‌ی تاریک تولید کند و این ماده‌ی تاریک (اساسا) دیگر هرگز با ماده‌ی معمولی گفتگو نکند.

-------------------------------------------------

تلگرام، توییتر و فیسبوک یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky
facebook.com/1star7sky

واژه‌نامه:

graviton - quantum mechanical force - dark matter - cosmic inflation - inflation - quantum fluctuation - star - galaxy - cluster - cosmic microwave background - inflaton - quantum field - Big Bang - Helsinki Institute of Physics - arXiv - preheating phase - graviton - quantum gravity

منبع: اسپیس دات کام

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان