نقش فوتون‌ها در دینامیک چرخشی کهکشان‌ها

* آیا اثر جرمی فوتون‌ها بر همنهش‌های گازی درون کهکشان‌ها با اثر ماده‌ی تاریک برابری می‌کند؟

چرخش ستارگان در کهکشان‌ها، از جمله راه شیری، گیج‌کننده است. سرعت مداری ستارگان با دور شدن از مرکز کهکشان باید کم شود، ولی در عمل می‌بینیم که سرعت چرخش ستارگان در میانه‌ها و بخش‌های بیرونی کهکشان‌ها با هم یکی است. این می‌تواند به دلیل اثر گرانشی ماده‌ی نادیدنی باشد. ولی با وجود جستجوهای چندین دهه‌ایِ دانشمندان، "ماده‌ی تاریک" هنوز وجودش به طور قطعی ثابت نشده و هنوز از سرشت آن ناآگاهیم.

سمت چپ: منحنی چرخش یک کهکشان آن گونه که انتظار می‌رود- راست: منحنی چرخش یک کهکشان در واقعیت. ویدیوی این شبیه‌سازی را اینجا ببینید

با در نظر گرفتن این واقعیت، فیزیکدانان دمیتری رایوتوف، دمیتری بادکر، و ویکتور فلمبوم این نظریه را پیشنهاد کرده‌اند که دینامیک چرخشی کهکشان‌ها را می‌توان به کمک عامل‌های دیگری نیز توضیح داد. به نظر این دانشمندان، جرم فوتون‌ها -که ذرات نورند- می‌تواند در این زمینه نقش داشته باشد.

پرفسور رایوتوف کارشناس فیزیک پلاسما است و به تازگی از آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا بازنشسته شده. او در سال ۲۰۱۷ به دلیل دستاوردهایش در زمینه‌ی فیزیک پلاسما، جایزه‌ی ماکسول در فیزیک پلاسمای انجمن فیزیک آمریکا را دریافت کرده بود. فیزیکدانان به طور کلی رایوتوف را با دستاوردش در تعیین حد بالا برای جرم فوتون می‌شناسند.

این جرم اگرچه صفر نیست، ولی به اندازه‌ای کوچک است که به طور معمول در پژوهش فرآیندهای اتمی و هسته‌ای از آن چشم پوشیده می‌شود. ولی بر پایه‌ی طرح پیشنهادی این دانشمندان، در پدیده‌های اخترفیزیکیِ بزرگ-مقیاس، حتی جرمِ بی‌اندازه کوچکِ فوتون هم اثر خود را نشان می‌دهد.

رایوتوف به هنگام دیدارش از دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینتس آلمان، به همراه میزبانش دمیتری بادکر از بنیاد هلمهولتز ماینتس و ویکتور فلمبوم از دانشگاه ماینتس بر آن شدند تا این نظریه را با دقت بیشتری بررسی کنند. آنها علاقمند بررسی این بودند که بدانند جرمِ بی‌اندازه خُردِ فوتون چگونه می‌تواند تاثیری بر کهکشان‌های بزرگ داشته باشد.

سازوکار اصلیِ نظریه‌ی این فیزیکدانان نتیجه‌ی چیزیست که به نام معادله‌های ماکسول-پروکا شناخته می‌شود. بر ‌پایه‌ی این معادله‌ها، فشارهای الکترومغناطیسی در کهکشان می‌تواند نیروهای مرکزگرای دیگری پدید بیاورند.

آیا این اثرها به اندازه‌ی اثرهای ماده‌ی تاریک نیرومند هستند؟

دمیتری بادکر می‌گوید: «این اثر فرضی که داریم بررسی می‌کنیم نتیجه‌ی افزایش گرانش نیست.» این اثر می‌تواند همزمان با اثر ماده‌ی تاریک رخ دهد. برای توضیح منحنی چرخش کهکشان، این اثر شاید -در شرایط ویژه- به کلی نیاز به ماده‌ی تاریک به عنوان یک فاکتور را هم از بین ببرد. خم‌های (منحنی‌های) چرخش، پیوند میان سرعت‌های مداری ستارگان یک کهکشان با فاصله‌ی شعاعی آنها از مرکز کهکشان را بیان می‌کنند.

بادکر می‌گوید: «ما با پنداشتن یک جرم خاص برای فوتون، بسیار کوچک‌تر از حد بالایی کنونی، می‌توانیم نشان دهیم که این جرم به اندازه‌ی کافی موثر خواهد بود که نیروهای اضافی در یک کهکشان پدید بیاورد و این نیروها تقریبا به اندازه‌ی کافی بزرگ هستند که منحنی‌های چرخش را توضیح دهند.»«این نتیجه‌گیری بی‌اندازه هیجان‌انگیز است.»

این پژوهشگران یک گام هم جلوتر رفتند. آنها چگونگی پیدایش پیش‌ستاره‌ها را بررسی کردند و دریافتند که انگاره‌ی (فرضیه‌ی) آنها مفاهیم و پیامدهای دیگری نیز دارد. این انگاره پیش‌بینی می کند که ستارگانِ به نسبت کم‌جرم و دراز-عمری مانند خورشید باید مدارهای بیضی بسیار کشیده‌ای داشته باشند.

«مشاهدات واقعی به روشنی چیزی متفاوت با این پیش‌بینی را نشان می‌دهند،این بدان معناست که نظریه‌ی ما نمی‌تواند همه چیز را توضیح دهد.» بنابراین اثرهای نیروی پروکا تنها می‌تواند دلیل برخی ناهنجاری‌ها در منحنی‌های چرخش باشد. بادکر می‌گوید: «ما در حال حاضر جرم فوتون را به عنوان راه حل "مساله‌ی منحنی چرخش" در نظر نمی‌گیریم. ولی می‌تواند بخشی از چاره باشد.»«با این همه، باید تا ماده‌ی تاریک را به درستی نشناخته‌ایم ذهن خود را باز نگه داشته و دقت کنیم.»

پژوهشنامه‌ی این دانشمندان در آستروفیزیکال جورنال منتشر شده است.

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

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

telegram.me/onestar_in_sevenskies

twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:

photon - dark matter - star - Milky Way - galaxy - Dmitri Ryutov - Dmitry Budker - Victor Flambaum - Lawrence Livermore National Laboratory - California - USA - plasma - American Physical Society - APS - Maxwell Prize for Plasma Physics - atomic - nuclear - Johannes Gutenberg University Mainz - JGU - Helmholtz Institute Mainz - HIM - Gutenberg Research College - Mainz University - Maxwell-Proca equations - electromagnetic - centripetal forces - rotation curve - radial distance - protostar - sun - Proca-force -

منبع: sciencedaily

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان