کیهان از چه موادی تشکیل شده است؟

پس از این که این ستاره ها می میرند عناصر سنگین تر ایجاد می شوند

اندازه گیری جرم کیهان

یکی از بزرگ ترین شواهدی که از آن می توانیم برای تعیین جرم جهان استفاده کنیم چیزی است که « پس زمینه مایکروویو کیهان (CMB) » نامیده می شود. تاریخچه CMB به مدت زمان کوتاهی پس از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) برمی گردد و در واقع دمای پس زمینه جهان است. پس زمینه مایکروویو کیهانی، گرمایی قابل تشخیص در سراسر کیهان و از همۀ جهات است و 2.7 درجه کلوین است.

نوسانات کوچک اما مهمی وجود دارد که در سراسر این «گرما» منتشر می شود، اما توزیع آن نشان می دهد که جهان باید تقریباً مسطح باشد و اساساً هیچ انحنایی نداشته باشد. به این ترتیب معنای آن برای اندازه گیری جرم چیست؟ معنایش این است که مقدار مشخصی از جرم و انرژی در درون جهان وجود دارد که آن را «مسطح» می سازد.

اما مشکل این جا است که هنگامی که ما تمام مواد عادی مانند ستارگان و کهکشانها، به علاوه گاز داخل جهان را به هم اضافه می کنیم، فقط حدود 5٪ از چگالی بحرانی ای را تشکیل می دهد که مسطح بودن جهان را توضیح می دهد (چگالی بحرانی حداقل تراکمی است که تضمین می کند جهان برای همیشه گسترش نمی یابد، اما در عین حال در خودش هم سقوط نمی کند).

پس 95٪ دیگر کجاست؟ دانشمندان می گویند که بقیه به صورت ماده تاریک و انرژی تاریک وجود دارد.

ترکیبات جهان

بنابراین جرمی وجود دارد که ما می توانیم می بینیم (چیزی که ما آن را ماده بریونیک می نامیم) و همچنین جرمی که ما نمی توانیم ببینیم (که ماده تاریک می نامیم). همچنین انرژی (نور) وجود دارد که ما می توانیم اندازه گیری کنیم و انرژی ای وجود دارد که نمی توانیم اندازه گیری کنیم (انرژی تاریک). در ادامه به بررسی جرم قابل اندازه گیری و جرم نامشخص جهان می پردازیم.

• عناصر سنگین (~ ​​0.03٪): برای نزدیک به نیم میلیارد سال پس از تولد جهان تنها عناصری که وجود داشت هیدروژن و هلیوم بود. آنها زندگی خودشان را می کردند تا این که ستاره ها متولد شدند. پس از این که این ستاره ها می میرند عناصر سنگین تر ایجاد می شوند. وقتی عناصر سنگین ایجاد می شوند که ستاره ها در هسته هایشان همجوشی هیدروژن (یا عناصر دیگر) را انجام می دهند. مرگ ستاره ها تمام این عناصر را از طریق سحابی سیاره ای یا انفجار ابرنواختری پخش می کند. پس از این رویداد، عناصر پخش می شوند که در شکل گیری سایر ستارگان، سیارات و سایر اشیاء مورد استفاده قرار می گیرند. این روند کند است و حتی تقریباً پس از 14 میلیارد سال تنها بخش کوچکی از جرم جهان در عناصر سنگین تر از هلیوم است.

• نوترینوها (~0.3%): نوترینوها در طی فرایند همجوشی هسته ای در داخل هسته ستاره ها ایجاد شدند. نوترینوها ذرات تقریباً بدون جرمی هستند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند. نوترینوها بار ندارند.

اندازه گیری نوترینوها تنها به برآورد میزان همجوشی هسته ای خورشید و دیگر ستاره ها و نیز برآورد جمعیت کل نوترینوها در جهان می انجامد و جرم آنها اهمیت زیادی ندارد.

• ستارگان (~ 0.4٪): زمانی که ما به آسمان شب نگاه می کنیم، بیشتر آنچه که می بینیم ستارگان اند. با وجود این، ستاره ها در واقع تنها بخش کوچکی از جهان ما را تشکیل می دهند.

• گاز (~ 0.4٪): فراوان تر از ستارگان، چیزهایی هستند که معمولاً فضای بین ستارگان را اشغال می کنند و فضای بین کهکشان های بزرگ اند. گاز بین ستاره ای که اکثراً فقط عناصر هیدروژن و هلیوم است، بیشتر جرم داخل جهان را تشکیل می دهد که ما می توانیم به طور مستقیم آن را اندازه گیری کنیم. ما با ابزارهای عادی (به عنوان مثال از طریق یک تلسکوپ) نمی توانیم گاز را ببینیم در عوض، با استفاده از ابزارهای حساس به طول موج های رادیویی، مادون قرمز و اشعه ایکس می توانیم گاز را تشخیص دهیم.

• ماده تاریک (~ 22٪): محققان با بررسی حرکت (چرخش) کهکشان ها و همچنین تعامل کهکشانها در خوشه های کهکشانی، دریافته اند که تمام گازها و گرد و غبار موجود برای توضیح جرم جهان کافی نیست. بنابراین 80 درصد جرم داخل کهکشان ها باید «تاریک» باشد؛ که قابل تشخیص نیست. هویت این توده مرموز ناشناخته است. بهترین پیشنهادی که درباره ماده تاریک داده شده عبارت است از ماده سردی که براساس تئوری ذره ای شبیه به نوترینو است، اما با جرمی خیلی بیشتر.

تصور می شود که این ذرات، اغلب به صورت ذراتی سنگین با کنش و واکنش ضعیف (WIMPs)  شناخته می شوند، ناشی از کنش و واکنش های حرارتی در تشکیلات کهکشانی اولیه هستند.

به هر صورت ما هنوز قادر به شناسایی ماده تاریک به طور مستقیم یا غیر مستقیم و یا ایجاد ماده تاریک در یک آزمایشگاه نبوده ایم.

• انرژی تاریک (~ 73٪): و در نهایت انرژی تاریک ماده ای است که بیشترین درصد مواد داخل جهان را تشکیل می دهد ولی خیلی کم درباره آن می دانیم. در حقیقت، انرژی تاریک (به احتمال زیاد) حتی سنگین هم نیست. شاید اصلاً یک میدان انرژی است که در کل جهان نفوذ کرده. به هر حال زمان لازم است تا اطلاعات بیشتری درباره آن کسب کنیم.