ماده عادی در کیهان ما کجاست؟
- ماده «عادی» مادهای است که از پروتونها، نوترونها و الکترونها تشکیل شده است. این همان مادهای است که شما، من و ستارگان را تشکیل میدهد.
- اما اکثر ماده عادی در کیهان در داخل ما، یا سیارات، ستارگان یا کهکشانها نیست. پس کجا است؟
- دانشمندان میگویند بیشترین بخش ماده عادی کیهان در فضاهای بینکهکشانی و در هالههای کهکشانی قرار دارد.
اکثر ماده عادی در کیهان ما در سیارات، ستارگان یا کهکشانها یافت نمیشود
اگر با تلسکوپ به فضا نگاه کنید، تعداد بیشماری کهکشان میبینید که بیشتر آنها دارای سیاهچالههای مرکزی بزرگ، میلیاردها ستاره و سیارات همراه هستند. کیهان پر از اجرام عظیم و باشکوه است و بهنظر میرسد این اجرام باید بیشترین مادهٔ کیهان را در خود نگه دارند.
اما نظریهٔ بیگ بنگ پیشبینی میکند که حدود ۵٪ از محتوای کیهان باید از اتمهایی تشکیل شده باشد که شامل پروتونها، نوترونها و الکترونها هستند. اکثر این اتمها در ستارگان و کهکشانها یافت نمیشوند… اختلافی که ستارهشناسان را بهسختی به خود معما میکند.
اگر در ستارگان و کهکشانهای قابل مشاهده یافت نشد، محتملترین مکان پنهانسازی ماده، فضای تاریک بینکهکشانی است. اگرچه فضا اغلب بهعنوان خلا توصیف میشود، اما کاملاً خالی نیست. ذرات و اتمهای منفرد در فضاهای بین ستارگان و کهکشانها پراکندهاند و شبکهٔ تاریک و فیلامنتی به نام «شبکهٔ کیهانی» را تشکیل میدهند.
در طول دوران حرفهایام بهعنوان ستارهشناس، این شبکهٔ کیهانی را مطالعه کردهام و میدانم که محاسبهٔ مقدار مادهای که در سراسر فضا پخش شده، چقدر دشوار است.
در مطالعهای که در ژوئن ۲۰۲۵ منتشر شد، تیمی از دانشمندان با استفاده از تکنیک رادیویی منحصر بهفردی، سرشماری نهایی ماده عادی در کیهان را تکمیل کردند.
سرشماری ماده عادی
واضحترین مکان برای یافتن ماده عادی، در قالب ستارگان است. گرانش ستارگان را به هم پیوسته و در قالب کهکشانها گردآوری میکند و ستارهشناسان میتوانند کهکشانها را در سراسر کیهان قابل مشاهده شمارش کنند.
سرشماری به چند صد میلیارد کهکشان میرسد، هر یک شامل چند صد میلیارد ستاره هستند. این اعداد دقیق نیستند زیرا تعداد زیادی ستارگان در خارج از کهکشانها پنهان میمانند. این یک تخمین حدود ۱۰23 ستاره در کیهان است، که صدها برابر تعداد ذرات شن در تمام سواحل زمین است. تخمین زده میشود که در کیهان حدود ۱۰82 اتم وجود دارد.
اما این عدد عظیم هنوز بهدستآوردن تمام مادهٔ پیشبینیشده توسط نظریهٔ بیگ بنگ نمیرسد. حسابگذاری دقیق نشان میدهد که ستارگان تنها ۰٫۵٪ از مادهٔ کیهان را در خود دارند. ده برابر اتمها بهاحتمال زیاد آزادانه در فضا شناورند. فقط ۰٫۰۳٪ از ماده شامل عناصری غیر از هیدروژن و هلیوم است که شامل کربن و تمام سازهای حیات میشود.
نگاهی به فضاهای بینکهکشانی
میانکهکشانی — فضایی بین کهکشانها — تقریباً یک خلا تقریباً 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 مادهٔ پخش‑شده بهدلیل وسعت فوقالعادهٔ کیهان با قطر ۹۲ میلیارد سال نوری، مقدار قابلتوجهی از ماده را تشکیل میدهد.
میانکهکشانی بسیار گرم است و دمای آن به میلیونها درجه میرسد. این امر باعث میشود که تنها با تلسکوپهای پرتو ایکس بتوان آن را مشاهده کرد، زیرا گاز بسیار گرم در موجهای بسیار کوتاه پرتو ایکس تابش میکند. تلسکوپهای ایکس‑ر به دلیل کوچکتر بودن نسبت به اکثر تلسکوپهای نوری، حساسیت محدودتری دارند.
ابزار جدیدی برای جستجوی ماده عادی در کیهان ما
ستارهشناسان اخیراً با استفاده از ابزار جدیدی به حل مشکل مادهٔ مفقود شده پرداختهاند. امواج رادیویی سریع، انفجارهای شدیدی از امواج رادیویی هستند که میتوانند در یک میلیثانیه همان مقدار انرژی را آزاد کنند که خورشید در سه روز تولید میکند. این پدیده برای اولین بار در سال ۲۰۰۷ کشف شد و دانشمندان دریافتند این انفجارها توسط بقایای ستارهای فشرده در کهکشانهای دوردست ایجاد میشوند. انرژی آنها در طول عبور از فضا کمرنگ میشود و تا وقتی به زمین میرسد، هزار بار ضعیفتر از سیگنال تلفن همراه است که از ماه ارسال شده و بر روی زمین دریافت میشود.
تحقیقات اوایل ۲۰۲۵ حاکی از این است که منبع این انفجارها، ناحیهٔ بسیار مغناطیسی اطراف یک ستاره نوترونی فوقفشرده است. ستارگان نوترونی بقایای بسیار چگالی از ستارگان عظیم هستند که پس از انفجار ابرنواختر تحت گرانش خود فرو ریختهاند. نوع خاصی از ستارگان نوترونی که امواج رادیویی تولید میکند، «مگنتر» نام دارد و میدان مغناطیسیاش هزار تریلیون برابر قویتر از میدان مغناطیسی زمین است.
اگرچه ستارهشناسان هنوز بهطور کامل امواج رادیویی سریع را درک نکردهاند، میتوانند از آنها برای بررسی فضاهای بینکهکشانی استفاده کنند. هنگامی که این انفجارها از فضا عبور میکنند، برخوردشان با الکترونهای گاز گرم بینکهکشانی باعث کاهش سرعت طولموجهای بلندتر میشود. سیگنال رادیویی پخش میشود، مشابه نحوهٔ آنکه منشوری نور خورشید را به رنگینکمان تبدیل میکند. ستارهشناسان با اندازهگیری میزان پخش، مقدار گازی که این انفجار در مسیر خود به سمت زمین عبور کرده است را محاسبه مینمایند.
معما حل شد
در مطالعه جدیدی که در ژوئن ۲۰۲۵ منتشر شد، تیمی از ستارهشناسان کالتک و مرکز هاروارد برای نجوم، ۶۹ امواج رادیویی سریع را با استفاده از آرایهای متشکل از ۱۱۰ تلسکوپ رادیویی در کالیفرنیا بررسی کردند. تیم دریافت که ۷۶٪ از ماده عادی کیهان در فضاهای بینکهکشانی قرار دارد، ۱۵٪ دیگر در هالههای کهکشانی – ناحیهای که ستارگان قابل مشاهده را در بر میگیرد – و ۹٪ باقیمانده در ستارگان و گاز سرد داخل کهکشانها.
حسابگذاری کامل ماده عادی در کیهان تأیید قدرتمندی برای نظریهٔ بیگ‑بنک ارائه میدهد. این نظریه پیشبینی میکند که مقدار ماده عادی در چند دقیقهٔ نخستین کیهان بهوجود آمده است؛ بنابراین بازآفرینی ۵٪ پیشبینیشده، این نظریه را از یک آزمون حیاتی عبور میدهد.
تا کنون چندین هزار امواج رادیویی سریع مشاهده شدهاند و آرایهٔ جدیدی از تلسکوپهای رادیویی احتمالاً نرخ کشف آنها را به ۱۰٬۰۰۰ مورد در هر سال افزایش خواهد داد. این نمونه بزرگ اجازه میدهد که امواج رادیویی سریع به ابزارهای قدرتمند برای کیهانشناسی تبدیل شوند. کیهانشناسی به مطالعهٔ اندازه، شکل و تکامل کیهان میپردازد. این امواج میتوانند فراتر از شمارش اتمها، به نقشهبرداری ساختار سهبعدی شبکهٔ کیهانی بپردازند.
انرژی تاریک و ماده تاریک در کیهان
دانشمندان اکنون ممکن است تصویر کامل توزیع ماده عادی را داشته باشند، اما بخش عمدهای از کیهان هنوز از موادی تشکیل شده است که بهطور کامل درک نشدهاند.
غنیترین ترکیبات در کیهان، ماده تاریک و انرژی تاریک هستند که هر دو بهطور ناقص درک شدهاند. انرژی تاریک سبب گسترش شتابدار کیهان میشود و ماده تاریک چسب نامرئیای است که کهکشانها و خود کیهان را بههم پیوسته نگه میدارد.
ماده تاریک احتمالاً نوعی ذرهٔ بنیادی است که پیش از این مورد مطالعه قرار نگرفته و بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات نیست. فیزیکدانان هنوز توانستهاند این ذره نوین را کشف کنند. اما میدانیم که وجود دارد، زیرا طبق نسبیت عام، جرم نور را خم میکند، و خمیدگی گرانشی مشاهده شده بسیار بیشتر از آن است که مادهٔ قابل مشاهده بتواند توضیح دهد. با عدسی گرانشی، خوشهای از کهکشانها نور را بهگونهای خم و بزرگنمایی میکند که مشابه عدسی نوری است. ماده تاریک بیش از پنج برابر جرم مادهٔ معمولی را در بر دارد.
یک معما ممکن است حل شود، اما معمای بزرگتری هنوز باقی مانده است. در حالی که مادهٔ تاریک همچنان رازآلود است، ما اکنون دربارهٔ اتمهای عادی که ما انسانها و دنیای اطرافمان را تشکیل میدهند، اطلاعات زیادی داریم.
این مقاله از منبع The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقالهٔ اصلی را بخوانید.
نتیجهگیری: سیارات و ستارگانی که میتوانید در آسمان شب ببینید، از مادهٔ عادی تشکیل شدهاند. اما تنها ۹٪ از مادهٔ عادی کیهان در چنین اشیائی وجود دارد. باقیمانده کجاست؟