ماده تاریک باریونی و غیرباریونی

[Jack Daniel'ѕ]

سه ردیف مستقل از شواهد گواهی می‌دهند که بیشتر ماده تاریک از باریون (ماده معمولی شامل پروتونها و نوترونها) تشکیل نشده‌است:

نظریه هسته‌زایی مه‌بانگ که با دقت بالا فراوانی عنصرهای شیمیایی مشاهده‌شده را پیش‌بینی می‌کند،[۱۱]نتیجه می‌گیرد که ماده باریونی تنها ۴-۵ درصد از چگالی بحرانی جهان را تشکیل می‌دهد. از سوی دیگر، شواهدی از ساختار بزرگ-مقیاس و دیگر مشاهدات دلالت بر آن دارند که کل چگالی ماده باید بیشتر از این باشد.
جستجوهای نجومی بزرگ برای ریزهمگرایی گرانشی، از جمله پروژه‌های MACHO، EROS و OGLE نشان داده‌اند که تنها کسر کوچکی از ماده تاریک در کهکشان راه شیری ممکن است در اجسام فشرده تاریک (مانند سیاهچاله‌ها و ستاره‌های نوترونی) نهفته باشند
تحلیل دقیق بی‌قاعدگی‌های(ناهمسانگردی‌ها) مشاهده‌شده در تابش زمینه کیهانی توسط دبلیومپ و ماهواره پلانک نشان می‌دهد که در حدود پنج-ششم از کل ماده جهان در شکلی است که برهمکنش قابل توجهی با ماده معمولی و فوتون‌ها ندارد.

بخش کوچکی از ماده تاریک ممکن است ماده تاریک باریونی باشد: اجسام نجومی مانند اجسام هاله‌ای پرجرم فشرده، که از ماده معمولی تشکیل شده‌اند اما تابش الکترومغناطیسی آنها هیچ و یا ناچیز است. با مطالعه هسته‌زایی در مه‌بانگ می‌توان حد بالایی برای میزان ماده باریونی موجود درجهان تعیین نمود[۱۲] که نتیجه می‌دهد، بیشتر ماده تاریک موجود در جهان نمی‌تواند از باریون تشکیل شده باشد و در نتیجه تشکیل اتم نمی‌دهد. همچنین نمی‌تواند از طریق نیروهای الکترومغناطیسی با ماده معمولی برهمکنشی داشته باشد. ذرات ماده تاریک هیچ بار الکتریکی ندارند.

دو فرضیه در مورد ذرات ماده تاریک غیر باریونی عبارتند از ذرات فرضی مانند آکسیون‌ها و یا ذرات ابرتقارنی. نوترینوها به دلیل محدودیتهای ناشی از ساختار بزرگ مقیاس و کهکشانهای با انتقال به سرخ بالا، تنها می‌توانند بخش کوچکی از ماده تاریک را تشکیل دهند. بر خلاف ماده تاریک باریونی، ماده تاریک غیرباریونی نقشی در شکل‌گیری عناصر شیمیایی در جهان اولیه(هسته‌زایی مه‌بانگ) نداشته‌است[۷] و به همین دلیل وجود آن تنها از طریق جاذبه گرانشی‌اش استنباط می‌گردد. علاوه بر این، اگر ذرات تشکیل دهنده‌اش ابرتقارنی باشند، این امکان وجود دارد که یکدیگر را نابود کنند و این نابود سازی احتمالاً به بروز عوارض قابل مشاهده‌ای همچون پرتو گاما و نوترینوها می‌انجامد(«آشکارسازی غیرمستقیم»).[۱۳]

ماده تاریک غیرباریونی بر پایه جرم ذرات فرضی تشکیل دهنده‌اش و یا پراکندگی سرعت این ذرات طبقه‌بندی می‌شوند. سه فرضیه برجسته در مورد ماده تاریک غیر باریونی به نامهای ماده تاریک سرد (CDM)، ماده تاریک گرم (WDM) و ماده تاریک داغ(HDM) وجود دارند. برخی از حالات ترکیبی از حالتهای فوق نیز امکانپذیر هستند. مدل ماده تاریک غیرباریونی که بیش از همه مورد بحث و بررسی گسترده قرار گرفته، بر پایه فرضیه ماده تاریک سرد بنا شده‌است و بنا بر پندار عمومی ذره متناظر با آن یک ذره سنگین با برهم‌کنش ضعیف (WIMP) است. ماده تاریک داغ ممکن است شامل نوترینوهای سنگین باشد اما مشاهدات دلالت بر ان دارند که تنها کسر کوچکی از ماده تاریک ممکن است داغ باشد. ماده تاریک سرد منجر به شکل گیری «پایین به بالا»ی ساختار در جهان می‌شود، در حالیکه ماده تاریک داغ منجر به تشکیل ساختار «بالا به پایین» می‌شود. از اواخر دهه ۱۹۹۰ ماده تاریک داغ توسط مشاهدات انتقال به سرخ بالای کهکشان‌ها مانند میدان فراژرف هابل، مردود شده‌است