منظور از مادهٔ سیاه چیست و چگونه کشف شد؟

سال اکتشاف: 1970

این کشف چه می‌گوید؟

ماده‌ای در کهکشان‌ها که هیچ نور و پرتو قابل تشخیصی از خود منتشر نمی‌کند.

چه کسی آن را کشف کرد؟

وراد رابین Vera Rubin

محاسبات مربوط به انبساط کائنات درست از آب نمی‌آمد. محاسبهٔ سرعت ستارگان در کهکشان‌های دور، با آنچه ستاره‌شناس‌ها مشاهده می‌کردند مطابقت نداشت. محاسبهٔ عمر کائنات (براساس سرعت گسترش) ناقص می‌نمود روش‌های محاسباتی می‌باید غلط بوده باشد. هیچ کس نمی‌توانست عمر کائنات، جرم موجود در آن و آیندهٔ آن را محاسبه کند. بسیاری از تحقیقات فیزیک با موانع جدی مواجه شد.

ورا رابین فقط خیال داشت تجهیزات جدیدی را امتحان کند، اما آنچه کشف کرد حرکت واقعی ستارگان کهکشان‌ها بود که ثابت می‌کرد قوانین نیوتن بنیادیترین اصول ستاره‌شناسی غلط است. رابین در تلاش برای توضیح تفاوت میان مشاهدات خود و فیزیک نیوتون، ماده سیاه را کشف کرد – ماده‌ای که وجود دارد اما از خود هیچ نور یا پرتوی که قابل تشخیص باشد منتشر نمی‌کند. ستاره شناس‌ها و فیزیک‌دان‌ها اعتقاد دارند که 9 درصد ماده موجود در کهکشان‌ها، مادهٔ سیاه است.

در 1970 ورا رابین در مؤسسهٔ تحقیقاتی دی. تی.ام مشغول به کار بود. رئیس این مؤسسه کنت فورد به تازگی طیف نگاری با سرعت بالا و دامنهٔ تشخیص وسیع درست کرده بود که می‌توانست هشت تا ده طیف نگار را روی طیف‌های فرکانس‌های ستارگان دور دست در یک شب تشخیص دهند. ورا شدیداً کنجکاو بود تا ببیند این اختراع چگونه چیزی است.

درست 27 مارس 1970 رابین با تلسکوپ بر روی آندرومدا، نزدیک‌ترین کهکشان بر زمین تمرکز کرد. او می‌خواست بداند میلیون‌ها ستاره‌ای که در این کهکشان وجود دارد براساس این نظریه، در حالت حرکت است یا نه.

هنگامی که او به تلسکوپ نیرومند نزدیک شد طیف نگاره‌ها وجود عناصر مختلفی را در ستارگان دور دست نشان می‌داد و آنها را بر روی جدول‌های محاسباتی ثبت می‌کرد. رابین با استفاده از میکروسکوپ‌های قوی این جدول‌ها را مشاهده می‌کرد.

رابین می‌دانست علایمی که ستاره‌شناس‌ها بر روی طیف نگار اندازه می‌گیرند اندکی بر روی جدول‌ها بالاتر یا پایینتر است و این بستگی به آن دارد که ستاره به طرف زمین حرکت می‌کند یا از آن دور می‌شود این جابه جایی فرکانس، جابه‌جایی داپلر نامیده می‌شود. همین جابه‌جایی هنگامی که خودرویی از کنار ما می‌گذرد و صدای موتور آن به فرکانس‌های پایین‌تر مبدل می‌شود، اتفاقی می‌افتد. هرچه جابه‌جایی بیشتر باشد، سرعت شیئی بیشتر است. رابین می‌خواست ببیند آیا می‌تواند از جابه‌جایی داپلر و طیف نگار کنت برای اندازه‌گیری سرعت ستارگان در کهکشان‌های دور استفاده کند یا نه.

او دریافت که ستارگان نزدیک به لبهٔ خارجی آندرومدا سرعتی برابر با سرعت ستارگان مرکز کهکشان دارند. نمی‌باید چنین باشد.

او در مدت دوماه 200 طیف نگار را بررسی کرد. در مورد کهکشان نتیجه همین بود سرعت تمام ستارگانی را که اندازه گرفت غلط بود. بنابرقوانین شناخته شدهٔ فیزیک با سرعت بعضی از آن ستارگان بسیار سریع‌تر از آنی بود که جاذبه بتواند آنها را درون کهکشان نگه دارد. آنها می‌باید به فضای بیرون پرتاب شوند. اما چنین اتفاقی نمی‌افتاد.

رابین با دو جواب روبرو بود. یا معادله‌های نیوتن اشتباه بود (چیزی که دنیای علم نمی‌توانست بپذیرد) یا در کائنات موادی موجود است که تا به حال کسی آن را تشخیص نداده بود.

او توضیح دوم را برگزید و این مواد را «مادهٔ سیاه نامید زیرا نه قابل رؤیت و نه قابل تشخیص بود. رابین محاسبه کرد چقدر ماده سیاه لازم است و گستردگی آن می‌باید چقدر باشد که معادله‌های نیوتون درست از آب درآید. او دریافت که 90 درصد کائنات می‌باید از مادهٔ سیاه تشکیل شده باشد.

یک دهه طول کشید تا جامعه علم نظریهٔ رابین را پذیرفت. اما در هر صورت کاری که ورا رابین در 1970 انجام داد تمام محاسبات و نظریه‌های مربوط به ساختار و خاستگاه عالم ما را تغییر دارد و باعث شد محاسبات ستاره‌شناس‌ها در گستردگی و حرکت ماه اصلاح شود. در عین حال – خوشبختانه قوانین حرکت نیوتون هم هنوز پابرجا مانده‌اند.

ناسا توانسته عکس از مادهٔ سیاه یا ترکیب عکس‌های تلسکوپ اشعهٔ ایکس و عکس‌هایی که ماهواره‌ها گرفته‌اند بگیرد. این نخستین عکس از مادهٔ سیاه است.