اکثریت ماده عادی در کیهان در سیارهها، ستارگان یا کهکشانها یافت نمیشود – یک ستارهشناس توضیح میدهد این ماده در چهجایی توزیع میشود
بیانیه افشا
کریس ایمپی دریافتکننده تأمین مالی از ناسا، آژانس ملی علوم (NSF)، مؤسسه پزشکی هوارد هیوز، و بنیاد تمپلتون است.
اگر از طریق تلسکوپ به فضا نگاه کنید، شمار بیشماری از کهکشانها را میبینید؛ بیشتر این کهکشانها شامل سیاهچالههای مرکزی بزرگ، میلیاردها ستاره و سیارات وابسته به آنها هستند. کیهان مملو از اشیای عظیم و خیرهکننده است و بهنظر میرسد این اشیای بزرگ باید بیشترین مادهٔ کیهان را در خود داشته باشند.
اما نظریهٔ بیگ بنگ پیشبینی میکند که حدود ۵٪ از محتویات کیهان باید از اتمهایی تشکیل شود که از پروتون، نوترون و الکترون ساختهاند. بیشتر این اتمها در ستارگان و کهکشانها یافت نمیشوند – تناقضی که ستارهشناسان را بهچالش کشیده است.
اگر این ماده در ستارگان و کهکشانهای قابل مشاهده نباشد، محتملترین مکان مخفی آن در فضای تاریک بین کهکشانها است. اگرچه فضا معمولاً بهعنوان خلا توصیف میشود، اما کاملاً خالی نیست. ذرات و اتمهای منفرد در سراسر فضای میان ستارگان و کهکشانها پخش شدهاند و شبکهای تاریک و پشتهای به نام «وب کیهانی» را تشکیل میدهند.
در طول دوران کاریام بهعنوان ستارهشناس، این وب کیهانی را مطالعه کردهام و میدانم که محاسبهٔ مادهای که در سراسر فضا پخش شده چقدر دشوار است.
در مطالعهای که در ژوئن ۲۰۲۵ منتشر شد، تیمی از دانشمندان از یک تکنیک رادیویی منحصر بهفرد برای تکمیل مردمشماری مادهٔ عادی در کیهان بهره گرفتند.
مردمشماری ماده عادی
مشخصترین مکان برای یافتن ماده عادی، در قالب ستارگان است. گرانش ستارگان را بههم میچسباند تا کهکشانها تشکیل شوند و ستارهشناسان میتوانند کهکشانهای قابل مشاهده را در سراسر کیهان شمارش کنند.
تخمین مردمشمار به چند صد میلیارد کهکشان میرسد، که هر یک شامل چند صد میلیارد ستاره هستند. این اعداد نامطمئناند زیرا بسیاری از ستارگان در خارج از کهکشانها پنهاناند. این تقریباً 1023 ستاره در کیهان است؛ یا صدها برابر بیشتر از تعداد دانههای شن در تمام سواحل زمین. تخمین زده میشود که 1082 اتم در کیهان وجود دارد.
با این حال، این عدد شگفتانگیز بهمراتب کوتاه میآید تا تمام مادهای که توسط نظریهٔ بیگ بنگ پیشبینی شده را پوشش دهد. محاسبهٔ دقیق نشان میدهد که ستارگان تنها ۰٫۵٪ از مادهٔ کیهان را در خود دارند. تقریباً ده برابر اتمهای دیگر بهصورت آزاد در فضا معلق هستند. فقط ۰٫۰۳٪ از ماده شامل عناصری بهجز هیدروژن و هِلئوم است، از جمله کربن و تمام سازههای ضروری برای زندگی.
نگاهی به فضای بین کهکشانها
میانکهکشانی – فضایی بین کهکشانها – تقریباً خلا کامل است؛ با چگالی یک اتم در هر متر مکعب، یا یک اتم در هر ۳۵ فوت مکعب. این مقدار کمتر از یک میلیارد میلیارد از چگالی هوای زمین است. حتی با این چگالی بسیار کم، این محیط پخششده مقدار زیادی ماده را در بر میگیرد، بهویژه با توجه به قطر عظیم ۹۲ میلیارد سال نوری کیهان.
میانکهکشانی بسیار گرم است و دمای آن به میلیونها درجه میرسد. این باعث میشود که بهجز با تلسکوپهای پرتو ایکس قابل مشاهده باشد، زیرا گاز بسیار گرم در طول کیهان در طولموجهای بسیار کوتاه پرتو ایکس تابش میکند. تلسکوپهای پرتو ایکس بهدلیل کوچکتر بودن نسبت به اکثر تلسکوپهای نوری، حساسیت محدودی دارند.
استفاده از ابزار جدید
ستارهشناسان بهتازگی از ابزاری نوین برای حل مشکل ماده مفقود استفاده کردهاند. پرتوهای رادیویی سریع انفجارهای شدیدی از امواج رادیویی هستند که میتوانند در یک میلیثانیه همان مقدار انرژی را که خورشید در سه روز میتاباند، تولید کنند. اولین بار در سال ۲۰۰۷ کشف شد و دانشمندان دریافتند این پرتوها توسط بقایای فشرده ستارهای در کهکشانهای دوردست ایجاد میشوند. انرژی آنها بهمحض عبور از فضا کاهش مییابد و هنگامی که به زمین میرسد، حدود هزار برابر ضعیفتر از سیگنال تلفن همراه است که بر روی ماه ارسال شده و به روی زمین دریافت میشود.
تحقیقات اوایل سال ۲۰۲۵ نشان میدهد منبع این پرتوها منطقهای بسیار مغناطیسی اطراف یک ستارهنوترونی فوقکمپکت است. ستارههای نوترونی بقایای فوقالعاده چگال از ستارگان عظیماند که پس از انفجار ابرنواختر زیر گرانش خود فشرده شدهاند. نوع خاصی از ستارههای نوترونی که پرتوهای رادیویی تولید میکند، «مگنتار» نام دارد؛ با میدان مغناطیسیای که هزار تریلیون برابر قویتر از میدان مغناطیسی زمین است.
اگرچه ستارهشناسان هنوز بهطور کامل پرتوهای رادیویی سریع را درک نکردهاند، میتوانند از آنها برای بررسی فضاهای بین کهکشانها استفاده کنند. هنگامی که این پرتوها از فضا عبور میکنند، تعامل آنها با الکترونهای موجود در گاز گرم میانکهکشانی بهطور ترجیحی طولموجهای بلندتر را کند میکند. سیگنال رادیویی پهن میشود، مشابه نحوهٔ شکست نور خورشید توسط منشور به رنگینکمان. ستارهشناسان میزان این گسترش را برای محاسبه مقدار گازی که این پرتو در مسیر خود به زمین عبور کرده، بهکار میبرند.
پازل حل شد
در این مطالعهٔ جدید که در ژوئن ۲۰۲۵ منتشر شد، تیمی از ستارهشناسان از کالتک و مرکز هاروارد فیزیک ستارهها ۶۹ پرتو رادیویی سریع را با استفاده از آرایهای شامل ۱۱۰ تلسکوپ رادیویی در کالیفرنیا بررسی کردند. این تیم دریافت که ۷۶٪ از ماده عادی کیهان در فضایی بین کهکشانها قرار دارد، ۱۵٪ دیگر در هالوهای کهکشان – ناحیهای اطراف ستارگان قابل مشاهده یک کهکشان – و ۹٪ باقیمانده در ستارگان و گاز سرد داخل کهکشانها ساکن است.
حساب کامل ماده عادی در کیهان، تأیید قویای برای نظریهٔ بیگ بنگ فراهم میکند. این نظریه پیشبینی میکند که مقدار فراوانی از ماده عادی در چند دقیقهٔ نخستین کیهان شکل گرفته است؛ بنابراین، با بازگرداندن ۵٪ پیشبینیشده، نظریه از یک آزمون حیاتی عبور میکند.
چندین هزار پرتو رادیویی سریع تا بهحال مشاهده شدهاند و آرایهای جدید از تلسکوپهای رادیویی احتمالاً نرخ کشف را به ۱۰٬۰۰۰ در سال افزایش خواهد داد. چنین نمونهٔ عظمی به پرتوهای رادیویی سریع اجازه میدهد تا ابزارهای قدرتمندی برای کیهانشناسی شوند. کیهانشناسی مطالعهٔ اندازه، شکل و تکامل کیهان است. پرتوهای رادیویی سریع میتوانند فراتر از شمارش اتمها، ساختار سهبعدی وب کیهانی را نقشهبرداری کنند.
نمودار دایرهای کیهان
دانشمندان اکنون ممکن است تصویر کاملی از توزیع مادهٔ عادی داشته باشند، اما بیشتر کیهان هنوز از موادی تشکیل شده است که بهطور کامل درک نمیشوند.
غنیترین مؤلفههای کیهان، مادهٔ تاریک و انرژیٔ تاریک هستند؛ هر دو بهخوبی درک نشدهاند. انرژی تاریک باعث گسترش شتابدار کیهان میشود و مادهٔ تاریک چسب نامرئی است که کهکشانها و کل کیهان را به هم میچسباند.
مادهٔ تاریک احتمالاً نوعی ذرهٔ بنیادی است که پیش از این مورد مطالعه قرار نگرفته و بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات نیست. فیزیکدانان هنوز نتوانستهاند این ذرهٔ نوآورانه را شناسایی کنند، اما میدانیم که وجود دارد؛ زیرا بر اساس نسبیت عام، جرم نور را خم میکند و اثر لنز گرانشی بیشتری نسبت به مادهٔ قابل رؤیت ایجاد میشود. با لنز گرانشی، یک خوشهٔ کهکشانی نور را به گونهای که لنز نوری عمل میکند، خم و بزرگ مینماید. مادهٔ تاریک وزن مادهٔ معمولی را بیش از پنج برابر دارد.
یک معما ممکن است حل شود، اما معمایی بزرگتر همچنان باقی میماند. در حالی که مادهٔ تاریک هنوز معمایی است، اما اکنون اطلاعات فراوانی دربارهٔ اتمهای عادی که به ما انسانها تعلق دارند و دنیای اطرافمان داریم.