ماده تاریک

ماده هر چیزی است که فضایی را اشغال می کند و دارای جرم است. ما بیشتر عادت کرده ایم که مواد مریی را ماده بنامیم. ماده مریی به این خاطر دیده می شود که خودش نور بیرون می دهد یا نوری که از شیئی دیگر ساطع می شود را بازتاب می دهد. اما ماده تاریک دیده نمی شود. ماده تاریک نور بیرون نمی دهد یا نور را منعکس نمی کند.

دانشمندان بر این باورند که با مطالعه ماده تاریک اطلاعات جدیدی درباره جهان به دست می آورند. برخی از اطلاعاتی که آنها با مطالعه ماده تاریک امید به کشف آن دارند اندازه، شکل و آینده جهان است. دانشمندان همچنین امیدوارند که با مطالعه ماده تاریک درباره این که کهکشان ها چگونه تشکیل شده اند چیزهایی بیاموزند.

دانشمندان نمی توانند ماده تاریک را مشاهده کنند، بنابراین راه بخصوصی برای مطالعه آن دارند. آنها ماده تاریک را با توجه به این که چگونه بر ماده قابل مشاهده اثر می گذارد مطالعه می کنند. دانشمندان از رایانه ها و ماهواره ها استفاده می کنند تا به مطالعه ماده تاریک بپردازند. تلسکوپ فضایی هابل تصاویری گرفته که به دانشمندان کمک کرده کشف کنند ماده تاریک کجاها یافت می شود.

دانشمندان با در هم آمیختن یک مدل نظری درباره ترکیبات تشکیل دهنده جهان با مجموعه ای از مشاهدات کیهانی می گویند که بیش از 68 درصد جهان از انرژی تاریک، 27 ٪ از ماده تاریک و حدود 5 درصد از مواد عادی تشکیل شده است. یعنی همه آن چیزهایی که بر روی زمین وجود دارد، همه آن چیزهایی که تاکنون با تمام ابزارهای ممکن مشاهده شده اند. به این ترتیب اگر همه مواد عادی به هم اضافه شوند کمتر از 5 ٪ جهان را تشکیل می دهند. البته اگر دوباره فکر کنیم می بینیم که شاید نباید به موادی که آنها را عادی می نامیم نام عادی بدهیم چراکه بخش کوچکی از عالم را تشکیل می دهد. در این شرایط ماده تاریک چیست؟

 

این تصویر توزیع ماده تاریک  و گاز داغ را در هسته خوشه کهکشانی در حال ظهور آبل 520 نشان می دهد 

ما بیشتر می دانیم که ماده تاریک چه چیزی نیست تا این که بدانیم چه چیزی هست. اول این که تاریک است به این معنی که به شکل ستاره ها و سیارات نیست. مشاهدات نشان می دهد که ماده مریی اندکی در جهان وجود دارد و تنها 27 درصد جهان از ماده مریی تشکیل شده است. دوم این که ماده تاریک به شکل و در قالب ابرهای تیره ای نیست که متشکل از مواد عادی هستند، یعنی موادی که از ذراتی به نام باریون ها ساخته شده اند. سوم این که ماده تاریک ضد ماده نیست، چرا که زمانی که ضد ماده با ماده نابود می شود اشعه گامای منحصربفردی تولید می شود و این در مورد ماده تاریک صادق نیست. در نهایت، ما می توانیم رد ماده تاریک را در سیاه چاله هایی به بزرگی کهکشان ها بگیریم. غلظت بالای ماده، نوری که از نزدیکی آنها عبور می کند و از اشیای دورتر ساطع می شود را خم می کند اما به طور دقیق سهم ماده تاریک آنها را نمی دانیم.

اما هنوز چند احتمال درباره ماده تاریک وجود دارد که یکی از آنها این است که ماده مریی هم ممکن است ماده تاریک را تشکیل دهد. ماده باریونی می تواند ماده تاریک را تشکیل دهد درصورتی که آن را در کوتوله های قهوه ای و یا قطعات متراکم کوچک از عناصر سنگین بجوییم. اما در نهایت دیدگاه رایج این است که ماده تاریک، باریونی نیست بلکه از ذرات عجیب و غریب دیگری مثل اکسیون ها یا WIMPS ساخته شده است.

انرژی تاریک چیست؟

ما می دانیم که چه مقدار انرژی تاریک وجود دارد چراکه می دانیم چگونه انرژی تاریک بر انبساط جهان اثر می گذارد. اما مابقی مسایل درباره ماده تاریک و انرژی تاریک کاملاً در هاله ای از ابهام است. به نظر می رسد که تقریبا 68 ٪ جهان از انرژی تاریک است. ماده تاریک نیز حدود 27 ٪ جهان را تشکیل می دهد. بقیه - همه آن چیزهایی است که بر روی زمین وجود دارد، همه آن چیزهایی که تاکنون با تمام ابزارهای ممکن مشاهده شده اند. یعنی همه مواد عادی که اگر به هم اضافه شوند کمتر از 5 ٪ از جهان را تشکیل می دهند. البته اگر دوباره فکر کنیم می بینیم که شاید نباید به موادی که آنها را عادی می نامیم نام عادی بدهیم چراکه بخش کوچکی از عالم را تشکیل می دهد.

این نمودار تغییرات در سرعت گسترش جهان از زمان تولد آن در15  میلیارد سال پیش را نشان می دهد. این نمودار نشان می دهد که از حدود 7.5 میلیارد سال پیش سرعت انبساط جهان به شکل قابل ملاحظه ای افزایش یافته. ستاره شناسان معتقدند که گسترش سریع تر جهان به خاطر نیروی تاریک مرموزی است که کهکشان را از هم جدا می شوند. منبع عکس سایت ناسا.

چنان که گفته شد یک توضیح انرژی تاریک را یکی از ویژگی های فضا تلقی می کند. آلبرت اینشتین اولین کسی بود که فهمید فضای خالی «هیچ چیز» نیست. فضا خواص شگفت انگیزی دارد و ما در آغاز راه فهمیدن آن هستیم. یک بخش از تئوری جاذبه اینشتین که ماده ثابت کیهانی را شامل می شود پیش بینی می کند که " فضای خالی " می تواند انرژی خود را داشته باشد. از آنجایی که این انرژی از خواص ذاتی فضا است هنگامی که فضا گسترش می یابد رقیق نمی شود. بنابراین همین طور فضای بیشتری به وجود می آید. هنگامی که فضای بیشتری به وجود می آید انرژی فضایی بیشتری ظاهر می شود. درنتیجه این شکل از انرژی باعث می شود جهان سریع تر و سریع تر گسترش یابد. متأسفانه، هیچ کس نمی فهمد که چرا حتی ثابت کیهانی باید وجود داشته باشد، چه رسد به این که چرا باید ارزش آن را داشته باشد که باعث شتاب قابل مشاهده گسترش کیهان شود.

یک توضیح دیگر در زمینه این که فضا چگونه انرژی به دست می آورد از نظریه کوانتوم ماده می آید. در این نظریه، " فضای خالی " در واقع پر از ذرات موقتی ( " بالقوه" ) است که به طور مداوم تشکیل و سپس ناپدید می شوند. اما زمانی که فیزیکدانان تلاش کردند محاسبه کنند چه مقدار انرژی به این فضای خالی می رود، پاسخ اشتباه از کار در آمد آن هم چه اشتباه بزرگی. این رقم در محاسبات 10¹²⁰ به دست آمد یعنی عدد 1 با 120 تا صفر. بنابراین ابهام ادامه می یابد.

یک توضیح دیگر برای انرژی تاریک این است که انرژی تاریک نوع جدیدی از جریان یا میدان انرژی دینامیکی است، جریانی که همه فضا را پر می کند اما به نحوی بر انبساط جهان اثر می گذارد که مغایر با ماده و انرژی عادی است. اما این ابهام پیش می آید که اگر پاسخ در عنصر پنجم نهقته است ما هنوز نمی دانیم که شبیه به چیست، با چه چیزی واکنش نشان می دهد یا چرا وجود دارد. بنابراین ابهام ادامه می یابد.

آخرین امکان این است که نظریه جاذبه اینشتین نادرست باشد. این موضوع نه تنها بر فهم ما از گسترش جهان اثر می گذارد بلکه همچنین بر فهم ما از نحوه رفتار ماده عادی در کهکشان ها و خوشه های کهکشانی نیز تأثیر می گذارد. این جا است که می توان تصمیم گرفت آیا راه حل برای مشکل فهم ماده تاریک ارایه یک نظریه جدید درباره جاذبه است یا نه. اما اگر نظریه جدیدی درباره جاذبه مورد نیاز است این نظریه چه نوع نظریه ای باید باشد و چقدر حرکت اجرام در منظومه شمسی را به درستی توصیف می کند چرا که تئوری اینشتین این کار را برایمان انجام می دهد و هنوز هم  پیش بینی متفاوتی درباره جهان ارایه می دهد. تئور ی های دیگری هم درباره ماده تاریک وجود دارند اما هیچ یک قانع کننده نیستند و ابهام ادامه می یابد.

کهکشان راه شیری

کهکشان راه شیری سراسر آسمان شب ما را فراگرفته و یکی از بزرگ ترین چشم اندازهایمان در زندگی را تشکیل می دهد. ستارگان کهکشان راه شیری الهام بخش انسان ها برای هزاران سال بوده اند و تنها در عصر جدید است که انسان می داند این نوار نورانی که هر شب آن را می بیند درواقع کهشکان خانه ما یعنی کهکشان راه شیری است و ما از داخل این کهکشان خود آن را تماشا می کنیم. اصطلاح " راه شیری "، اولین بار درباره قوس مبهمی از ستارگان در آسمان شب مورد استفاده قرار گرفت. بعد از آن این نام برای کل کهشکان ما به کار رفت.

 

آسمان شب به وضوح درخشش کهکشان راه شیری را به نمایش می گذارد. این کهکشان، کهکشان خانه ما است و سراسر آسمان ما را فرا گرفته و ما از داخل آن به خودش نگاه می کنیم

کهکشان راه شیری یک کهکشان مارپیچی نسبتاً معمولی با اجزایی است که از نظر ساختاری از هم متمایزند. کهکشان راه شیری حاوی یک دیسک نازک ( با قطر تقریبی 100000 سال نوری)، یک دیسک ضخیم، یک برآمدگی (با قطر تقریبی 25000 سال نوری) و یک هاله ستاره ای است. همچنین اینکهکشان خانه حدود 150 خوشه کروی است. خورشید، یکی از صدها میلیارد ستاره ای است که کهکشان راه شیری را تشکیل می دهند. خورشید در دیسک باریک و در فاصله حدود 25،000 سال نوری از مرکز برآمدگی کهکشان قرار دارد. ستاره شناسان معتقدند که کهکشان راه شیری یک نوار مرکزی دارد و یک کهکشان مارپیچی میله ای است.

 NGC2997کهکشانی شبیه به کهکشان راه شیری است. کهکشان ما از بیرون شاید شبیه این کهکشان باشد

 در این تصویر کهکشان NGC821 که کهکشانی شبیه به کهکشان راه شیری از زاویه ای دیگر دیده می شود، کهکشان ما شاید چیزی شبیه به این تصویر باشد

کهکشان راه شیری علاوه بر یک ساختار قابل مشاهده و مشابه با کهکشان های مارپیچی دیگر، یک هاله تاریک از ماده ای احتمالاً غیر ستاره ای (و حتی شاید غیر باریونی) دارد. این هاله کروی به فراتر از مرز دیسک نازک گسترش یافته و حرکت کهکشان ها در سراسر کهکشان راه شیری حاکی از این است که جرم کلی آن معادل 1000 میلیارد برابر جرم خورشید است. این میزان جرم حدود ده برابر جرم موجود در مواد قابل مشاهده است!

کهکشان راه شیری همه ویژگی های اصلی یک کهکشان مارپیچی معمولی را دارا است.
(مقیاس ها واقعی نیست)

شکل گیری کهکشان راه شیری موضوعی است که از سوی دانشمندان فعالانه مورد بررسی قرار می گیرد. این باور وجود دارد که اجزای ستاره ای کهکشان راه شیری در زمان های مختلف تشکیل شده اند (شکل گیری ستارگان هنوز هم در داخل دیسک نازک انجام می گیرد). درحال حاضر شواهدی درباره وجود هر سه نوع سازوکار شکل گیری کهکشان ها که تاکنون شناسایی شده اند (رمبش اولیه primordial collapse))، خوشه بندی سلسله مراتبی و تکامل دینامیکی نسبتاً کند secular evolution)) وجود دارد.

مانند بیشتر کهکشان ها، کهکشان راه شیری در انزوا نیست. کهکشان راه شیری همراه با کهکشان آندرومدا، ابرهای ماژلانی بزرگ و کوچک و در حدود 30 کهکشان کوتوله، بخشی از گروه محلی را تشکیل می دهد. کهکشان راه شیری در حال حاضر در حال ادغام از نوعی است که دو کهکشان با جرم های بسیار متفاوت با هم ادغام می شوند minor mergers)). کهکشان ما در حال ادغام از این نوع با دست کم دو تا از کهکشان های کوتوله گروه محلی به نام های کوتوله قوسی یا ساگیتاریوس (Sagittarius) و کوتوله سگ بزرگ Canis Major)) است. همچنین کهکشان راه شیری در مرز خوشه سنبله بزرگ قرار دارد که روزی با آن نیز ادغام می شود.

سرعت نور

 به طور کلی سرعت نور (معمولاً به صورت C نشان داده می شود) به سرعتی که تابش الکترومغناطیسی در خلأ منتشر می شود اطلاع می شود. با این که سرعت نور همیشه به همین عنوان نامیده شده، اما اگر بخواهیم لفظ مناسب تری برای سرعت نور به کار ببریم، باید آن را "سرعت یک ذره ی بدون جرم" بنامیم. چراکه سرعت نور سرعتی است که همه ذرات با جرم صفر (نه فقط فوتون ها بلکه گراویتون ها و نوترینوهای بدون جرم در صورتی که واقعاً وجود داشته باشند) در خلأ با آن حرکت می کنند.

نظریه نسبیت انیشتین چند شرح و توضیح مهم درباره سرعت نور در خلأ ارایه می دهد :
1-سرعت نور در خلأ 299792458 متر / ثانیه است (هر چند که سرعت نور در یک محیط شفاف مانند هوا، آب و یا شیشه، بسته به شاخص انکسار کمتر است(.

2-هیچ چیز نمی تواند سریع تر از سرعت نور در خلأ حرکت کند (هر چند برخی از ذرات در یک محیط شفاف می توانند از سرعت نور فراتر بروند- نتیجه اشعه چرنکوف(Cerenkov) است.)

3-سرعت نور در خلأ ثابت است .این خاصیت به رفتارهایی منجر می شود که عیناً به وسیله نظریه نسبیت خاص انیشتین پیش بینی شده است. (مانند اتساع زمان)

مدت زنده ماندن در فضا

رفتن به فضا ممکن است سرگرم کننده به نظر برسد، اما واقعیت این است که فضانوردان سال ها آموزش های وسیعی– هم از نظر روحی و هم از نظر جسمی – می بینند تا سفر آنها از سیاره زمین به هر جای دیگری ممکن شود. هر وقت به اکتشافات فضایی فکر می کنیم تصاویری از مردانی به ذهنمان متبادر می شود که سر تا پا در لباس سفید پوشیده شده اند و کلاهی مانند تنگ ماهی بر سر دارند. حقیقت هم این است که لباس های فضایی برای بقا در خارج از زمین بسیار حیاتیند و بدون آنها فضانوردان نمی توانند مدت زیادی زنده بمانند.

این که به طور دقیق چه مدت می توان بدون لباس فضانوردی در خلأ زنده ماند مشخص نیست. هرچند دانشمندان حدس می زنند که حدود یک تا دو دقیقه طول می کشد تا در هم شکسته شدن بدن شروع شود. در حالی که در فیلم های سینمایی یا مجموعه های تلویزیونی می بینیم که فضانوردان منفجر یا منجمد می شوند و می میرند یا بلافاصله مرگ را تجربه می کنند، اما در عالم واقعیت قضیه کمتر ترسناک است -البته فقط کمی.

آن طور که اخترشناسان سازمان فضا ناسا توضیح می دهند، مشکلات جزئی مختلف (آفتاب سوختگی، احتمالاً "خمیدگی و چنبره شدن"، برخی از تورم های پوستی و بافت زمینه ای [خفیف ، برگشت پذیر و بدون درد] پس از ده ثانیه یا بیشتر شروع می شود. همچنین فرد هشیاریش را به خاطر فقدان اکسیژن از دست می دهد. آسیب ها جمع می می شوند و پس از شاید یک یا دو دقیقه او می میرد.البته چنان که گفته شد واقعاً مشخص نیست که بعد از چه مدت فرد می میرد. 

قطعاً کسی توصیه نمی کند افراد بدون محافظت به داخل فضا شناور شوند، اما در هر حال اگر حادثه ای رخ دهد، فضانوردان از فرصتی مناسب برخوردارند تا پس از قرار گرفتن در معرض خطر به سرعت بتوانند پناهگاهی برای خودشان پیدا کنند و به بقا ادامه دهند.

گسترش جهان به چه معنا است؟

وقتی دانشمندان درباره گسترش جهان صحبت می کنند، منظورشان این است که از زمان انفجار بزرگ (بیگ بنگ) و آغاز جهان تاکنون جهان در حال بزرگ و وسیع شدن بوده است.

کهکشان هایی که در خارج از کهکشان ما هستند در حال دور شدن از ما هستند و کهکشان هایی که دورتر از ما هستند سریع تر در حال دور شدن از ما هستند. این به آن معنی است که ما در هر کدام از کهکشان ها قرار گرفته باشیم، تمام کهکشان های دیگر در حال دور شدن از ما هستند.

البته فقط کهکشان ها نیستند که در حال حرکت و دور شدن از یکدیگرند بلکه خود فضا که کهکشان ها در آن قرار دارد هم در حال حرکت است. به عبارت دیگر جهان هیچ مرکزی ندارد و همه چیز در حال حرکت و دورشدن از همه چیزهای دیگر است.

جهان شامل همه آن چیزهایی است که وجود دارند، از کوچک ترین اتم ها تا بزرگ ترین کهکشان ها. از زمان انفجار بزرگ و تشکیل جهان در 13.7 میلیارد سال پیش، جهان در حال گسترش بوده و ممکن است میزان این گسترش بی نهایت باشد.

یک قیاس مشهور برای توضیح نحوه گسترش جهان، نحوه پخت نان کشمشی است. وقتی نان کشمشی هنگام پخت بزرگ می شود، کشمش ها از یکدیگر دورتر می شوند، درحالی که در خمیر گیر افتاده اند.

در مورد جهان هم همه چیزها به سرعت در حال دور شدن از یکدیگرند اما خوشبختانه گرانش چیزها را در سطح محلی کنترل می کند چنان که کشمش های نان کشمشی داخل نان با هم باقی می مانند.

چه کسی به گسترش جهان پی برد؟

ستاره شناس آمریکایی، ادوین هابل، در سال 1925 مطالعاتی انجام داد و برای اولین بار ثابت کرد که جهان در حال گسترش است. او ثابت کرد که رابطه مستقیمی بین سرعت دور شدن کهکشان ها از زمین و فاصله آنها از زمین وجود دارد. این قانون به نام قانون هابل شناخته می شود. تلسکوپ فضایی هابل به نام این دانشمند نامگذاری شده است.

بنابراین آیا جهان نامحدود است؟

شاید آسان تر باشد تا درباره آغاز جهان و تئوری بیگ بنگ صحبت کنیم تا این که درباره این که کار جهان چگونه به پایان می رسد بحث کنیم. ممکن است جهان برای همیشه دوام داشته باشد، یا ممکن است به خاطر سناریوی معکوس شدن روند انفجار بزرگ در هم کوبیده شود. البته اگر سناریوی دوم هم به وقوع بپیوندد چنان در آینده دور خواهد بود که می توان آن را بی نهایت دانست.

تا این اواخر، کیهان شناسان (دانشمندانی که به مطالعه جهان می پردازند) این فرضیه را مطرح کرده بودند که سرعت گسترش جهان به دلیل اثرات گرانشی کاهش می یابد اما پژوهش های حاضر حاکی از این است که جهان ممکن است تا ابد گسترش یابد. البته تحقیقات ادامه دارد و مطالعات جدید درباره ابرنواخترها در کهکشان های دوردست و نیرویی به نام انرژی تاریک ممکن است نظرات درباره سرنوشت احتمالی جهان را تغییر دهند.

تفاوت های فیزیکی ستاره ها و سیارات

ستاره ها و سیارات معمولاً بر اساس دو ویژگی از یکدیگر متمایز می شوند:

1- بر مبنای این که آیا در آنها واکنش های های هسته ای انجام می گیرد و به عبارتی آیا در هسته شان هیدروژن می سوزانند یا نه. در ستاره ها واکنش های هسته ای انجام می گیرد ولی در سیاره ها چنین نیست. برای این که دمای هسته یک شیء به اندازه کافی بالا باشد تا در آن هیدروژن بسوزد، لازم است جرم آن شیء دست کم 75 برابر جرم سیاره مشتری باشد. هر شیئی که جرمی عظیم تر از این میزان داشته باشد به طور خودکار یک ستاره در نظر گرفته می شود.

2-بر مبنای این که جرم آسمانی چگونه تشکیل شده است. ستاره ها وقتی تشکیل می شوند که ابری از گاز، در یک سحابی و یا منطقه دیگری از فضای بین ستاره ای، تحت تأثیر نیروی گرانش دچار در خود فرو ریزی می شود. در طرف دیگر سیارات موقعی تشکیل می شوند که ماده داخل دیسک در اطراف ستاره ای که از قبل وجود داشته، حول هسته ای سنگی-یخی متراکم می شود. در این شرایط با دو موقعیت مواجه می شویم. در یک موقعیت کل سیاره تشکیل شده تقریباً به طور کامل از سنگ، یخ و آب است (مانند زمین) و در موقعیتی دیگر مقدار زیادی گاز جذب هسته سنگی- یخی می شود (مانند مشتری، زحل، و غیره).

در تعریف دوم ابهاماتی وجود دارد، دلیل عمده این ابهام هم وجود اشیائی به نام «کوتوله های قهوه ای» است. (اندازه کوتوله های قهوه ای مابین اندازه سیاره های غول پیکر گازی و ستارگان است. کوتوله های قهوه ای به همان روش ستارگان، به طور خودبخود از ابری از گاز میان ستاره ای تشکیل شده اند.)

کوتوله های قهوه ای خیلی کوچک تر از آنند که هیدروژن بسوزانند بنابراین نمی توان آنها را ستاره دانست اما بیشترشان به نظر می رسد که برای تشکیل شدن همان مسیری را طی کرده باشند که ستاره ها پیموده اند. به عبارتی اغلب خود به خود در ابری از گاز میان ستاره ای تشکیل شده اند به طوری که آنها را نمی توان واقعاً سیاره در نظر گرفت.

پرسشی که در این جا مطرح می شود این است که مرز بین سیاره و کوتوله قهوه ای چیست؟ اگر ما شیئی داشته باشیم که جرم آن 30 برابر جرمسیاره مشتری است، اما در نزدیکی یک ستاره واقع شده این شیء چه چیزی محسوب می شود؟ آیا این شیء یک سیاره است یا یک کوتوله قهوه ای؟ ستاره شناسان معمولاً نمی دانند سازوکار شکل گیری این شیء چه بوده. آیا این شیء که در نزدیکی یک ستاره واقع است از گاز متراکم تشکیل شده یا یک هسته سنگی- یخی در مرکز آن است و مانند یک سیاره است.

به خاطر این مشکل، در سال های اخیر وجه تمایز ساده تری بین سیارات، کوتوله های قهوه ای و ستارگان مطرح شده. در این وجه تمایز فرایند شکل گیری مطرح نیست. بر این اساس مرز بین کوتوله های قهوه ای و ستاره ها هنوز هم این است که جرم ستاره ها حدود 75 برابر جرم مشتری است و شیئی که جرم آن کمتر از این میزان است یا سیاره است یا کوتوله قهوه ای.

با وجود مشکلی که در بالا ذکر شد مرز بین کوتوله های قهوه ای و سیارات را چگونه می توان تعیین کرد؟ این مرز حدود 13 برابر جرم سیاره مشتری تعیین شده است. (جسمی که جرم آن پایین تر از رقم فوق باشد کوتوله قهوه ای محسوب نمی شود.) به این دلیل این رقم تعیین شده که اشیایی که از چنین جرمی برخوردارند دمای مرکزی شان به قدر کافی بالا هست تا دوتریوم بسوزانند. (دوتریوم یک ایزوتوپ هیدروژن است که در دمایی پایین تر از دمایی که هیدروژن عادی می سوزد تحت سوختن هسته ای قرار می گیرد.)

دانشمندان برچه اساسی سن جهان را تعیین کرده اند؟

دانشمندان می گویند سن جهان دست کم 10 میلیارد سال و حداکثر 20 میلیارد سال است. در جدیدترین تحقیقات هم آنها سن جهان را 13.8 میلیارد سال تخمین زده اند. دانشمندان بر چه اساسی این تعداد شمع را روی کیک تولد جهان قرار می دهند؟

دانشمندان برای تعیین سن جهان از دو روش متفاوت استفاده می کنند: یک روش مطالعه قدیمی ترین اشیاء جهان است و روش دیگر این است که مشخص کنند جهان با چه سرعتی در حال گسترش است.

روش مطالعه براساس تخمین سن قدیمی ترین اشیای جهان

جهان نمی تواند جوان تر از اشیای موجود در خودش باشد. با تعیین سن قدیمی ترین ستاره ها، دانشمندان قادرند برای جهان محدوده سنی تعیین کنند.

چرخه زندگی یک ستاره به جرم آن بستگی دارد. ستاره هایی که جرم بیشتری دارند سریع تر از ستاره هایی که جرم کمتری دارند می سوزند. ستاره ای که 10 برابر خورشید جرم دارد، ذخیره سوختش را در 20 میلیون سال می سوزاند، در حالی که ستاره ای که نصف خورشید جرم دارد، بیش از 20 میلیارد سال طول می کشد تا ذخیره سوختش را بسوزاند. جرم همچنین بر روشنایی و درخشندگی یک ستاره نیز اثر می گذارد.

هر مجموعه متراکم از ستارگان، خوشه کروی نامیده می شود. مجموعه ستارگان خوشه کروی ویژگی های مشابهی دارند. قدیمی ترین خوشه کروی ای که تاکنون شناخته شده دارای ستارگانی است که سن آنها بین 11 تا 18 میلیارد سال است.

البته با اطمینان نمی توان روشنایی و بنابراین جرم ستارگان را تعیین کرد. همین امر بر سر راه تخمین سن جهان محدودیت ایجاد کرده. دانشمندان با وجود عدم اطمینان ها باز هم توانسته اند محدوده ای برای سن جهان ارایه کنند. آنها می گویند سن جهان دست کم باید 11 میلیارد سال باشد. وقتی می گوییم حداقل سن جهان 11 میلیارد سال است به این معنی است که جهان می تواند مسن تر از این رقم باشد اما جوان تر از آن نیست.

روش مطالعه بر اساس سرعت گسترش جهان

جهانی که ما در آن زندگی می کنیم تغییرناپذیر نیست بلکه به طور دایم در حال گسترش است. اگر دانشمندان سرعت گسترش جهان را بدانند، می توانند رو به عقب برگردند و سن جهان را تعیین کنند. این کار بسیار شبیه به کار افسران پلیس است که می توانند شرایط اولیه ای که منجر به یک تصادف شده را بازسازی کنند. بنابراین برای پیدا کردن سرعت گسترش جهان عددی که به نام ثابت هابل شناخته می شود کلیدی است.

شماری از عوامل عدد این ثابت را تعیین می کند. اولین عامل نوع ماده غالب در جهان است. دانشمندان باید نسبت ماده تاریک را با انرژی تاریک به دست آورند.

تراکم هم در این زمینه نقش ایفا می کند. جهانی که تراکم ماده در آن کم است مسن تر از جهانی است که ماده زیادی دارد.

دانشمندان برای تعیین تراکم و ترکیب جهان، به کار کاوشگرهایی که به فضا فرستاده می شوند متکی هستند. کاوش گرها با اندازه گیری تابش حرارتی به جا مانده از انفجار بزرگ، قادر به تعیین تراکم، ترکیب و میزان گسترش جهانند. تابش به مانده از بیگ بنگ به نام پس زمینه امواج کیهانی شناخته می شود. دو کاوشگر یکی از ناسا و دیگری از سازمان فضایی اروپا از این پس زمینه نقشه برداری کرده اند. بدین ترتیب می بینیم که تعیین سن جهان بر مشاهده استوار است.

بر این اساس در سال 2012، کاوشگر ناسا سن جهان را 13.772 میلیارد سال، با عدم قطعیتی 59 میلیون ساله تعیین کرد. در سال 2013 نیز کاوشگر سازمان فضایی اروپا سن جهان را در حدود 13.82 میلیارد سال اعلام کرد. هر دوی این اعداد سن جهان را قدیمی تر از 11 میلیارد سالی که به طور مستقل و از روی خوشه های کروی تعیین شده نشان می دهد.

اعدادی که ذکر شد به طور عمده با اندازه گیری کهکشان های نزدیک و دور، به خصوص سرعت دور شدن آنها از ما به دست آمده است.

چرا فضانوران و اشیاء در ایستگاه فضایی شناور می شوند؟

اگر نیروی جاذبه می تواند ایستگاه فضایی را در مدار نگه دارد، پس چرا در تصاویری که از ایستگاه فضایی می بینیم همیشه چنین به نظر می رسد که نیروی جاذبه داخل آن صفر است؟ آیا داخل ایستگاه فضایی نیروی جاذبه وجود ندارد؟ چرا فضانوردان داخل آن شناور می شوند؟ اگر چکمه های سنگینی می پوشیدند می توانستند مثل ما که بر روی زمینیم پایشان را بر کف ایستگاه فضایی بگذارند؟

در فضا، فضانوردان مثل مردم روی زمین روی کف راه نمی روند. آنها داخل فضاپیمایشان شناورند. این به دلیل میکروگرانشی است. «میکرو» به معنای «بسیار کوچک» است.

میکروگرانشی زمانی است که کشش نیروی جاذبه (گرانش) خیلی قوی نیست. در میکروگرانشی، می توان اشیای سنگین را به آسانی حرکت داد. فضانوردان حتی می توانند اشیایی که وزنشان صدها کیلوگرم است را تنها با نوک انگشتان دستشان حرکت دهند.

آیا در فضا نیروی جاذبه وجود دارد؟

نیروی جاذبه همان چیزی است که انسان ها را رو به پایین به سمت زمین می کشد. هنگامی که به بالا می پریم، نیروی جاذبه باعث می شود به پایین برگردیم. هنگامی که راه می رویم، نیروی جاذبه ما را روی زمین نگه می دارد.

برخی از افراد فکر می کنند هیچ نیروی جاذبه ای در فضا وجود ندارد. اما درواقع مقادیر کمی از نیروی جاذبه در همه جا هست. نیروی جاذبه، ماه را در مدارش حول زمین نگه می دارد. نیروی جاذبه، زمین را هم در مدارش حول خورشید نگه می دارد. وقتی کشش نیروی جاذبه ضعیف تر است، دو جسم از هم دورترند.

یک فضاپیما می تواند به قدری از زمین دور شود که فضانورد احساس کند نیروی جاذبه خیلی کم است. اما به این دلیل نیست که چیزها در ایستگاه فضایی بین المللی شناورند. ایستگاه فضایی در فاصله حدود 320 تا 400 کیلومتری زمین به دور آن می گردد. در این ارتفاع، نیروی جاذبه زمین هنوز هم خیلی قوی است. در واقع، فردی که وزنش بر روی زمین 45 کیلوگرم است در این ارتفاع وزنش 40 کیلوگرم می شود.

پس چرا اشیاء در مدار شناورند؟

نیروی جاذبه تمام اشیاء را به شیوه ای که گفته شد به طرف خود می کشد، حتی اگر اندازه آنها متفاوت باشد. اگر شما از ارتفاعی یک چکش و یک پر را به سوی زمین رها کنید، چکش سریع تر سقوط می کند اما این وضعیت به این دلیل نیست که نیروی جاذبه آنها را به طور متفاوتی به طرف خود می کشد.

این هوا است که باعث می شود پر آهسته تر سقوط کند. اگر هیچ هوایی وجود نداشت، آنها با هم سقوط می کردند. برخی از پارک های تفریحی، سواریسقوط آزاد دارند. در این سواری ها، یک اتاقک در امتداد یک برج بلند سقوط می کند. اگر همزمان با ما یک توپ هم از بالا به پایین سقوط کند به نظرمان می رسد که توپ مقابلمان شناور است. این چیزی است که در یک فضاپیما هم اتفاق می افتد. فضاپیما، خدمه اش و همه چیزهایی که رو یا داخل آن هستند همه در حال افتادن به حول زمینند. از آنجایی که آنها همه با هم در حال سقوطند، به نظر می رسد که خدمه و اشیاء شناورند.

با این حساب پاسخ این پرسش که چرا فضانوردان در فضا شناورند این است که آنها در حال سقوط آزادند.

چگونه فضاپیما می تواند به حول زمین سقوط کند؟

چنان که گفته شد فضاپیما و مسافرانش در حال سقوط به حول زمین اند. اما سقوط به حول زمین به چه معنی است؟ پاسخ این است که نیروی جاذبه زمین، اشیاء را به سمت سطح زمین می کشد. نیروی جاذبه، ایستگاه فضایی را هم به سوی خود می کشد. در نتیجه ایستگاه فضایی هم در حال سقوط به سمت سطح زمین است. همچنین ایستگاه فضایی بسیار سریع حرکت می کند. ایستگاه به قدری سریع حرکت می کند که منحنی سقوط آن با مسیری که سطح زمین انحنا پیدا می کند منطبق است.

برای ایستگاه فضایی، این سرعت 28200 کیلومتر در ساعت است. فضاپیما وضعیت در حال سقوط بودن به زمین را حفظ می کند اما هرگز به آن اصابت نمی کند. در عوض حول سیاره سقوط می کند. ماه هم به همین دلیل در مدار حول زمین باقی می ماند. 

نمونه سیاره ای با امکان وجود آب مایع و حیات

ستاره شناسان نمی دانند که آیا در سیارات دیگر زندگی وجود دارد یا نه. اما اگر هم وجود داشته باشد، بیشتر احتمال دارد که روی سیاره ای که آب مایع دارد پیدا شود. چون که آب برای حیات بر روی زمین عامل اساسی است.

حالا، ستاره شناسان یک سیاره در فاصله ای دور را کشف کرده اند که می تواند آب داشته باشد. به این معنی که این احتمال وجود دارد در خارج از زمین هم زندگی وجود داشته باشد.

این تصویر، سیاره تازه پیدا شده را نشان می دهد که به دور یک ستاره کوتوله قرمز به نام  Gliese 581 می گردد. شاید روی سطح سیاره آب مایع وجود داشته باشد

این سیاره در منظومه شمسی ما نیست، بنابراین سیاره خارج از منظومه نامیده می شود. این سیاره به دور ستاره ای به نام Gliese 581 می گردد که حدود 116 تریلیون مایل از زمین فاصله دارد.

ستاره شناسان سیارات خارج از منظومه شمسی دیگری هم پیدا کرده اند. اما هیچ کدام به نظر نمی رسد که قابل سکونت موجودات زنده باشند. بیشتر آنها توپ های عظیمی از گاز هستند. بسیاری چنان به ستاره های آتشینشان نزدیکند که آب در آنها می جوشد و دیگران به قدری دورند که آب در آنها منجمد می شود.

سیاره جدید که خارج از منظومه شمسی است به قدری کوچک است که تلسکوپ نمی تواند تصویری از آن بگیرد. اما ستاره شناسان از روی شباهت ها، آن را مانند زمین دارای سطح جامد می دانند. به همان میزان دمای روی سیاره هم مهم است. این سیاره در منطقه ای که ستاره شناسان آن را منطقه گولدیلاکس "Goldilocks Zone" می نامند واقع شده. یعنی در یک منطقه دور از ستاره اش قرار گرفته که آن را نه خیلی گرم و نه خیلی سرد می کند و برای این که آب به صورت مایع باشد مناسب است.

ستاره شناسان به خاطر این که  نمی توانند این سیاره را ببینند، به وسیله رصدخانه "استپان اودری جنوا" در سوییس به ستاره Gliese 581نگاه می کنند تا سرنخ هایی درباره سیاره اش به دست آورند. آنها ستاره Gliese 581 را مطالعه کردند تا ببینند که آیا آن تکان می خورد یا نه. کشش جاذبه ای ضعیف سیاره ای که به دور یک ستاره می گردد می تواند باعث شود که ستاره به جلو و عقب حرکت کند. (برای کسب اطلاعات بیشتر درباره این که ستاره شناسان چگونه سیارات دیگر را پیدا می کنند اینجا را کلیک کنید).

تیم رصدخانه "اودری" با استفاده از ابزاری به نام اسپکتوگراف، لرزش Gliese 581 را با ثبت الگوی تغییرات در نورش اندازه گیری کرد.

ابزارهای ستاره شناسان اطلاعات زیادی درباره سیاره جدید در اختیار آنها قرار داد. برای مثال این که این سیاره حدود پنج برابر وزن سیاره زمین را دارد و هر 13 روز یک بار به دور ستاره اش می گردد.

این سیاره همچنین در مقایسه با فاصله زمین از خورشید، به ستاره اش نزدیک تر است. اما ستاره Gliese 581 یک کوتوله قرمز است که نوعی ستاره است که سردتر از خورشید ما است. بنابراین شاید دما بر روی این سیاره در همان حدود دمای روی زمین باشد.