انسان همواره با نگاه کردن به آسمان‌ها بوده است که راه‌های علم را گشوده است همواره اولین نظریه‌های علمی از تفکر کردن بر آسمان‌ها پدید آمده است. انسان از آسمان علم را آورد و آن را زمینی کرد و گسترشش داد. شاید کمی اغراق باشد که بخواهیم تاریخ علم را و نقاط عطف آن را همه از مبداء جستجو در آسمان‌ها و کهکشان‌ها بدانیم اما می‌توان گفت که نگاه کردن و تفکر کردن بر آسمان‌ها و کهکشان‌ها و ستارگان همواره راهگشای بشر برای نظریه‌پردازی‌های بنیادین در تاریخ علم بوده است. روابط کپلر، معادلات نیوتن، معادلات ماکسول، نظریه نسبیت عام و خاص و حتی امروز نظریه‌های کوانتم و ذرات بنیادی همه کم یا زیاد از آسمان برای به وجود آمدن بهره برده‌اند.
اما داده‌هایی که ما نه از اشیا و آزمایش‌های زمینی بلکه از کهکشان‌ها و ستارگان و اجرام آسمانی تا به امروز گرفته‌ایم بسیار بسیار محدود است. (نسبت به داده‌هایی که از آزمایش‌های زمینی کسب کرده‌ایم) اکثر داده‌های ما که از آسمان‌ها می‌آید امواج الکترومغناطیسی است که به زمین می‌رسند و ما آنها را آشکار می‌کنیم. بخش دیگری از آن ذرات بنیادی و پرانرژی (همچون نوترینوها) است که در تعداد بسیار اندک به زمین می‌رسند که امروز به سختی قابل ردیابی و آشکارسازی هستند و همچنین عده‌ای به دنبال رد پای امواج گرانشی می‌گردند که تصور می‌کنند در فضا منتشر می‌گردد و هنوز نتوانسته‌اند گزارش قابل اعتمادی را از وجود این امواج ارائه دهند. ذرات با انرژی بالا (ذرات بنیادی) که به زمین می‌رسند معمولا بسیار اندک هستند و در بیشتر مواقع منبع انتشار آنها نامشخص است و اکثرا آشکارسازی و بررسی این ذرات برای مطالعات کشف نیروها و برهم کنش‌های ضعیف و قوی هسته‌ای به کار می‌رود تا ساختارهای کیهانی. تعداد بسیار اندکی از ذرات با انرژی بالا به زمین می‌رسند که خیلی از این ذرات را نمی‌توان آشکار نمود و بسیاری دیگر پیش از اینکه به سطح زمین برسند با جو بر هم کنش انجام می‌دهند و ذرات دیگری را تولید می‌کنند بنابراین می‌توان گفت که تنها منبع قابل اعتماد حال حاضر ما برای مطالعه ساختار و مشخاصات کهکشان‌ها و ستارگان امواج الکترومغناطیسی است که از آنها به سوی ما می‌رسند. این امواج شامل اشعه ایکس، ماورای بنفش و نور مرئی و فروسرخ و امواج میکرو و امواج رادیویی، که همه از جنس امواج الکترو مغناطیس هستند.
تمامی دانش ما از فضا با تحلیل این امواج شکل می‌گیرد این تحلیل‌ها می‌تواند مشخصات ستارگان و کهکشان‌ها را آشکار گرداند، از جمله: جرم ستارگان و کهکشان‌ها، مواد تشکیل دهنده آنها، سرعت آنها، شکل حرکت آنها، عمر آنها، فاصله آنها تا زمین و ... تحلیل این داده‌ها نیازمند نظریه‌‌هایی است که می‌تواند دانش بنیادین ما را از جهان پیرامونمان شکل دهد اگر پیشبینی‌های این نظریه‌ها با مشاهدات سازگار نباشد نظریه‌ها ایراد دارند و سعی می‌کنند آن را با نظریه‌ی بهتر جایگزین کنند. داده‌های کیهانی نشان داده است که فضا – زمان می‌تواند انحنا پیدا کند، کوتاهترین فاصله فضا – زمانی خط صاف نیست، مجموع زوایای یک مثلث در فضا – زمان 180 درجه نیست، جهان در حال انبساط شتاب دار است، نقطه آغازینی می‌توان برای آغاز فضا – زمان در نظر گرفت و ...
نظریات و تئوری‌های موجود تقریبا می‌توان جوابگوی تمامی مسائل زمینی باشد اما زمانی که به کهکشان‌ها می‌نگریم هنوز نتوانسته‌ایم نظریه قابل قبولی را ارائه دهیم که بتواند مشاهدات ما را تبیین کند. ماده تاریک برآمده از همین شکست نظریه و مشاهده می‌باشد که یکی از چالش‌ها مهم امروز کیهان‌شناسی را به خود اختصاص داده است.
موضوع ماده تاریک از آنجایی آغاز گردید که مشاهدات با تئوری‌ها سازگار نبودند. برای مثال با اندازه‌گیری سرعت گردش ستارگان و شعاع گردش ستاره به دور مرکز کهکشان می‌توان جرم کهکشان را پیشبینی کرد و یا بر عکس با استفاده از جرم و مکان ستاره سرعت آن را پیشبینی کرد. اما مشاهدان نشان داده است که جرم قابل مشاهده برای یک کهکشان با سرعت گردش ستارگان اطراف آن به دور آن سازگاری ندارد، بنابراین دو راه باقی می‌ماند عده‌ای بر این عقیده هستند که جرم غیر قابل مشاهده‌ای که تا به امروز مشاهده نشده است در کهکشان‌ها وجود دارد و عده‌ای دیگر می‌گویند تئوری‌های موجود ناقص هستند و سعی در تصحیح تئوری‌های موجود دارند. (برای مثال تصحیحاتی در تئوری نسبیت عام اعمال می‌کنند) با این وجود مطالعات بیشتر (همچون بررسی پدیده لنزینگ گرانشی) نشان داده است که به احتمال زیاد جرم غیر قابل مشاهده‌ای در کهکشان‌ها وجود دارد که تا کنون آشکار نشده است و در حال حاضر پیشبینی غالب در کیهان‌شناسی معاصر بدین سمت می‌باشد.
 |
| Rotation curve of a typical spiral galaxy: predicted (A) and observed (B). Dark matter can explain the velocity curve having a 'flat' appearance out to a large radius |
اما چرا نتوانسته‌ایم این اجرام را که اتفاقا بیش از 80% جرم کهکشان‌ها را تشکیل می‌دهند آشکار کنیم؟ دراین باره نیز دیدگاه‌های متفاوتی وجود دارد که مهمترین و رایج‌ترین آن این است که این جرم، که بدان ماده تاریک نام می‌نهند، نمی‌تواند از خود امواج الکترومغناطیسی ساطع کنند و یا با آنها بر هم کنش انجام دهد بنابراین تا امروز نتوانسته‌ایم آنها را آشکار کنیم. پیشبینی می‌شود که این اجرام تنها می‌تواند با نیرو‌های ضعیف هسته‌ای و گرانشی و یا فقط گرانشی برهمکنش انجام دهد بنابراین از طریق امواج الکترومغناطیسی قابل شناسایی نیستند و تنها می‌توان با استفاده از بر هم کنش‌های گرانشی و تاثیرات گرانشی این اجرام، آنها را شناسایی و بررسی نمود.
همچنان ماهیت اصلی این ماده بر پژوهشگران نامشخص است و امیدوارند که در دو دهه آینده بتوانند شواهد بیشتری از وجود آن کشف کنند یا بتوانند آن را به طریقی آشکار سازند و این مساله‌ای است که تا به امروز محقق نشده است و تنها به صورت فرضیه‌‌ای که بهترین تبیین کننده مشاهدات کیهانی ماست.
قسمت اول: ماده تاریک
