یک پیروزی برای ماده تاریک: چرخش میله‌های کهکشان‌ها کندتر از چیزیست که گمان می‌رفت

* بر پایه‌ی پژوهشی تازه، سریع‌ترین میله‌های کهکشانی چرخان در واقع سرعتی کمتر از چیزی که گمان می‌رفت دارند و دلیل آن هم وجود ماده‌ی تاریک است.

چرا بیشتر اخترشناسان به ماده‌ی تاریک باور دارند- ماده‌ای با همنهش ناشناخته که به نظر می‌رسد نزدیک به ۸۰ درصد جرم کهکشان‌ها را تشکیل داده؟ پنداشت ماده‌ی تاریک در دهه‌ی ۱۹۳۰ میلادی توسط فریتس تسوئیکی برای پاسخ به این پرسش پیشنهاد شد که چرا حرکت کهکشان‌های خوشه‌ی گیسو بسیار سریع‌تر از آنست که بشود بر پایه‌ی جرم شناخته شده‌شان توضیح داد. گام سرنوشت‌ساز در این باره در در دهه‌ی ۷۰ و زمانی برداشته شد که ورا روبین نشان داد بخش‌های بیرونی کهکشان‌ها بسیار سریع‌تر از چیزی که بتوان با بهره از کل محتوای ستاره، گاز و غبار آنها، و قانون گرانش نیوتن یا اینشتین توضیح داد [به گرد هسته‌ی کهکشان] می‌چرخند.

کهکشان مارپیچی میله ای "ان‌جی‌سی ۱۳۰۰"- تصویر بزرگ‌تر. درباره‌ی ‌این عکس بخوانید

از آن هنگام تاکنون باور استاندارد اخترشناسان این بوده که کهکشان‌ها با هاله‌ای از این ماده‌ی تاریک در بر گرفته شده‌اند که بر میدان گرانشی آنها تاثیر می‌گذارد. ولی با وجود سخت‌ترین تلاش‌ها از سوی فیزیکدانان ذرات، هنوز هیچ کس نتوانسته چیستی این ماده و چیزی که آن را ساخته شناسایی کند. این پژوهشگران را واداشته تا به آزمایش‌هایی از گونه‌های دیگر فکر کنند. یکی از این آزمایش‌ها ۲۰ سال پیش پیشنهاد شد. نظریه‌پردازان پیش‌بینی کردند که هاله‌های کهکشان‌ها می‌بایست بر چرخش میله‌های درون کهکشان‌ها نیروی ترمزی وارد کنند. اگر میله‌ها کند می‌چرخیدند، اثبات نیرومندی برای وجود هاله‌ها بود، ولی اگر سریع می‌چرخیدند وجود هاله‌ها با شک و تردید روبرو می‌شد و در نتیجه سایه‌ی تردید بر مدل استاندارد کیهان‌شناسی‌ می‌افتاد.

در کهکشان‌های مارپیچی [میله‌ای]، ستارگان درون میله معمولا به دلیل گرانش، سریع‌تر از ستارگان درون بازو‌ها می‌چرخند. پیرامون مرکز کهکشان منطقه‌ای به نام "دایره‌ی هم‌چرخش" (corroding circle) وجود دارد، نقاطی با فاصله‌ی برابر از مرکز کهکشان که در آنها سرعت چرخش ستارگان میله‌ای و ستارگان بقیه‌ی قرص کهکشان یکی است. فاصله‌ی میان این ستارگان و مرکز کهکشان هم به نام شعاع هم‌چرخش نامیده می‌شود، که دانشمندان توانسته‌اند آن را از راه رصد پیدا کنند. این دانشمندان سپس یک روش "چندی" (کمّی) برای تشخیص سرعت چرخش میله‌ها پدید آوردند. اگر میله کم کم کُند شود، این نقطه باید کم کم رو به بیرونِ قرص جابجا شود. بر پایه‌ی این پیش‌بینی، اگر شعاع هم‌چرخش بلندتر از ۱.۴ برابر بلندی خود میله باشد، پی می‌بریم که میله دارد توسط هاله‌ی ماده‌ی تاریک پیرامون کهکشان ترمز داده می‌شود.

اندازه‌گیری شعاع هم‌چرخش آسان نیست، ولی در دهه‌ی گذشته چند اندازه‌گیری برای آن در ده‌ها کهکشان انجام شده و تقریبا در همه‌ی آنها، نسبت شعاع هم‌چرخش به طول میله کمتر از ۱.۴ بوده. این نتیجه‌ها بر وجود هاله‌های ماده‌ی تاریک سایه‌ی تردید افکنده و به نظر می‌رسد کل پنداشت ماده‌ی تاریک را تهدید می‌کنند. ولی اکنون بر پایه‌ی پژوهشنامه‌ای که به تازگی توسط گروهی از پژوهشگران در بنیاد اخترفیزیک جزایر قناری (IAC) در نشریه‌ی آستروفیزیکال جورنال منتشر شده، سرعت چرخش میله‌ها در کهکشان‌ها بسیار کندتر از چیزیست که در پژوهش‌های گذشته اندازه‌گیری شده بود.

آنها در این پژوهش نخست یک روش تازه و دقیق که خودشان ابداع کرده بودند را برای اندازه‌گیری شعاع‌های هم‌چرخش در بیش از ۱۰۰ کهکشان به کار بردند. آنها همچنین اندازه‌گیری‌های تازه و دقیقی روی بلندی میله‌ها انجام دادند و نسبت‌ها را محاسبه کردند. بیشتر این نسبت‌ها واقعا کمتر از ۱.۴ بود، ولی شیوه‌ی اندازه‌گیریشان به پژوهشگران اجازه‌ی کاوش ژرف‌تر داد. آنها نسبت سرعت چرخش میله به سرعت چرخش قرص کهکشان را هم اندازه گرفتند و پی بردند که اگر سرعت چرخش قرص را پایه در نظر بگیریم، بسیاری از میله‌ها، به ویژه بلندترین‌ها، چرخشی بسیار آهسته دارند. این یک معما بود زیرا این کهکشان‌ها دارای نسبت‌هایی بسیار کمتر از ۱.۴ بودند و در برخی از آنها به حدود ۱ می‌رسید.

جوآن فونت، یکی از این پژوهشگران می‌گوید: «پس در پی یافتن پاسخ برآمدیم و تنها نتیجه‌ای که گرفتیم این بود که احتمالا میله‌ها دارند بلندتر می‌شوند و هم‌زمان سرعتشان هم کم می‌شود، به همین دلیل نسبت شعاع هم‌چرخش به بلندی میله‌ها بزرگ‌تر نمی‌شود حتی با وجود این که ماده‌ی تاریک هاله‌ها دارد سرعتشان را کم می‌کند.»

جوآن و یکی دیگر از پژوهشگران به نام جان بکمن برای پی بردن به درستی یا نادرستی نظریه‌شان از ایناکولادا مارتینز، پژوهشگر نظریه‌پرداز IAC درخواست چند شبیه‌سازی کردند. وی پیش از این شبیه‌سازی‌هایی از چگونگی رفتار میله‌ها در درازنای زندگی کهکشان‌ها انجام داده و پی برده بود که میله‌ها با گرفتن ستاره‌های بیشتر از قرص، گرایش به بلندتر شده دارند. این اخترفیزیکدان می‌گوید: «هنگامی که مدلی که برای بررسی دقیق تاثیرات هاله‌ی ماده‌ی تاریک بر میله‌ی یک کهکشان درست کرده بودم را به کار بردم پی بردم که این نسبت می‌تواند از ۱.۴ کوچک‌تر شود حتی با وجود ترمزی که از هاله بر آن وارد می‌شود.»

ترکیب این مدل‌ها با مشاهدات، ماده‌ی تاریک در هاله‌های کهکشانی را "نجات داد" زیرا در شبیه‌سازی‌های گذشته به نظر می‌رسید اثر آن انکار شده و جنجالی در زمینه‌ی اخترفیزیک پدید آورده بود. جان بکمن می‌گوید: «اکنون ما نشان داده‌ایم که دلیل این جنجال، شبیه‌سازی‌های نابسنده‌ای بود که به نظر خوب می‌آمدند. واقعیت اینست که میله‌هایی که [به نظر می‌رسد] سریع می‌چرخند، در عمل چرخشی به نسبت کندتر دارند.»

--------------------------------------------

به کانال تلگرام یک ستاره در هفت آسمان بپیوندید:

http://telegram.me/onestar_in_sevenskies

واژه نامه:

dark matter - Fritz Zwicky - Coma cluster - Vera Rubin - galaxy - Newton - Einstein - halo - gravitational field - particle physicist - standard model - cosmology - arm - galactic nucleus - corotating circle - corotation radius - Astrophysical Journal - IAC - Joan Font - John Beckman - Inmaculada Martínez - stars - disc - galactic halo - Astrophysics

منبع: sciencedaily

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان