بر پایه رصدهای هابل، نظریه‌های کنونی ماده تاریک "یک چیزی" کم دارند!

تصویر تلسکوپ فضایی هابل از خوشه‌ی کهکشانی غول‌پیکر ام‌ای‌سی‌اس جی۱۲۰۶. در دل این خوشه، تصویرهای اعوجاج یافته‌ی کهکشان‌های پس‌زمینه را می‌بینیم که مانند کمان‌ها و لکه‌هایی دیده می‌شوند. این اعوجاج‌ها دستاورد گرانش ماده‌ی تاریک و اثر همگرایی گرانشیِ آنست. این تصویر در اندازه‌ی بزرگ‌تر (۳.۶ مگ)

به گفته‌ی اخترشناسان، به نظر می‌رسد چیزی در نظریه‌های ما از چگونگی رفتار ماده‌ی تاریک نادیده مانده است. آنها از اختلافی پرده برداشته‌اند که میان مدل‌های نظری برای چگونگی پراکندگی (توزیع) ماده‌ی تاریک و اثرهای دیده شده‌ی واقعیِ این ماده در خوشه‌های کهکشانی وجود دارد.

ماده‌ی تاریک هیچ نوری را نه می‌گسیلد، نه درمی‌آشامد (جذب می‌کند)، و نه بازمی‌تاباند. تنها از روی کشش گرانشی آن بر ماده‌ی معمولی و دیدارپذیر در فضا می‌توانیم از حضورش آگاه شویم. بنابراین ماده‌ی تاریک همانند گربه‌ی چشایر در داستان آلیس در سرزمین عجایب است که تنها پوزخندش (همان گرانش برای ماده‌ی تاریک) را می‌بینیم ولی خود این جانور را نه.

یک راه برای اخترشناسان در آشکارسازی ماده‌ی تاریک اینست که چگونگی خمشِ فضا در اثر نیروی گرانشِ آن را بسنجند، پدیده‌ای که به نام همگرایی گرانشی شناخته می‌شود.

اخترشناسان پی برده‌اند که توده‌های کوچکی از ماده‌ی تاریک در خوشه‌ها هست که اثرهای همگرایی گرانشی‌ای ۱۰ یرایر نیرومندتر از آنچه انتظار می‌رود پدید می‌آورند. این یافته بر پایه‌ی رصدهایی با جزییات بی‌سابقه است که تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ بسیار بزرگ (وی‌ال‌تی) در رصدخانه‌ی جنوبی اروپا روی چندین خوشه‌ی کهکشانی بزرگ انجام داده‌اند.

خوشه‌های کهکشانی، بزرگ‌ترین ساختارهای کیهان که از تک کهکشان‌ها درست شده‌اند، بزرگ‌ترین انبارهای ماده‌ی تاریکند. کهکشان‌های درونِ خوشه‌ها نه تنها به طور عمده توسط ماده‌ی تاریک کنار هم نگه داشته شده‌اند، بلکه خودشان هم انباشته از ماده‌ی تاریکند. بنابراین پراکندگی ماده‌ی تاریک در خوشه‌های کهکشانی هم در مقیاس‌های بزرگ است [کل خوشه] و هم در مقیاس‌های کوچک [کهکشان‌های خوشه].

ماسیمو مِنِگتی از بنیاد ملی اخترفیزیک ایتالیا (ایناف) می‌گوید: «خوشه‌های کهکشانی آزمایشگاه‌هایی آرمانی برای شناخت اینند که آیا شبیه‌سازی‌های رایانه‌ایِ کیهان، چیزی را که می‌توانیم درباره‌ی ماده‌ی تاریک و برهمکنش آن با ماده‌ی دیدارپذیر بفهمیم به گونه‌ی اعتمادپذیری تولید می‌کنند یا نه.»

منگتی که نویسنده‌ی اصلی این پژوهش است می‌افزاید: «ما در این پژوهش آزمایش‌های دقیق بسیاری برای مقایسه‌ی شبیه‌سازی‌ها با داده‌ها انجام داده‌ایم، و ناسازگاری‌ای که دیده‌ایم در همه‌شان بوده. یک ریشه‌ی احتمالی برای این ناسازگاری اینست که شاید فیزیک کلیدی‌ای در کارست که ما آن را نادیده گرفته و در این شبیه‌سازی‌ها به کار نبرده‌ایم.»

پریاموادا ناتاراجان،  یکی از ‌اصلی گروه از دانشگاه ییل در کنتیکت می‌گوید: «یک ویژگی در جهان واقعی هست که ما در مدل‌های نظری کنونی‌مان به کار نمی‌بریم [از آن ناآگاهیم یا نادیده‌اش گرفته‌ایم]. این می‌تواند نشانه‌ی شکافی درشناخت کنونی ما از سرشت ماده‌ی تاریک و ویژگی‌های آن باشد، زیرا این داده‌های نفیس به ما اجازه داده تا پراکندگی دقیق ماده‌ی تاریک در کوچک‌ترین اندازه‌ها را بررسی کنیم.»

پژوهشنامه‌ی این دانشمندان در شماره‌ی ۱۱ سپتامبرِ نشریه‌ی ساینس منتشر شده است.

پراکندگی ماده‌ی تاریک در خوشه‌های کهکشانی به کمک خمش نور -همگرایی گرانشی‌ای که پدید می‌آورند- نقشه‌برداری می‌شود. ماده‌ی تاریک با گرانش خود نور اجرام پس‌زمینه را خم و بزرگنمایی می‌کند و با رفتاری که بسیار مانند آینه‌های شهر بازی است، تصویرهایی کج و معوج و گاهی چندین تصویر از یک کهکشان دوردست پدید می‌آورند. هر چه انباشتگی (تمرکز) ماده‌ی تاریک در خوشه بیشتر باشد، خمش نور توسط آن چشمگیرتر خواهد بود.

تصویرهای پرجزییات هابل، همراه با داده‌های طیفی وی‌ال‌تی به این پژوهشگران کمک کرد تا نقشه‌ای دقیق و با کیفیتِ بالا برای ماده‌ی تاریک پدید بیاورند. آنها ده‌ها کهکشانِ پس‌زمینه را که تصویرشان چندین بار تکرار و همگرایی شده شناسایی کردند. اخترشناسان با سنجش و اندازه‌گیری اعوجاج‌های ناشی از همگرایی توانستند میزان و چگونگی پراکندگی ماده‌ی تاریک را بسنجند.

سه خوشه‌ی کهکشانی اصلی در این پژوهش -ام‌ای‌سی‌اس جی۱۲۰۶.۲-۰۸۴۷، ام‌ای‌سی‌اس جی۰۴۱۶.۱-۲۴۰۳، و آبل اس۱۰۶۳، همگی بخشی از دو پیمایش هابل بودند: پیمایش میدان‌های مرزی و پیمایش کلش (CLASH).

برداشت هنری از خوشه‌ی کهکشانی غول‌پیکر ام‌ای‌سی‌اس جی۱۲۰۶. اینجا توده‌های کوچک ماده‌ی تاریک (رنگ آبی) هم دیده می‌شوند. این هاله‌های آبی شیوه‌ی پراکندگی ماده‌ی تاریک در خوشه‌ی کهکشانی را آن گونه که هابل دیده باز می‌تابانند. این تصویر در اندازه‌ی بزرگ‌تر

شگفتی انشمندان زمانی بود که در تصویرهای هابل کمان‌ها و نماهای اعوجاج یافته‌ی کوچکتری را در میان کمان‌های اعوجاجی بزرگ‌تر در مرکز هر خوشه دیدند، جایی که پرجرم‌ترین کهکشان‌ها در آنند [عدسی‌های گرانشی کوچک‌تری در پرجرم‌ترین بخش خوشه دیده شدند-م].

پژوهشگران بر این باورند که این عدسی‌های درونِ خوشه دستاورد گرانشِ توده‌های چگال ماده‌ی تاریک در هر یک از کهکشان‌های خوشه هستند. تا جایی که می‌دانیم پراکندگی ماده‌ی تاریک در بخش‌های درونیِ هر کهکشان باعث افزایش و تشدید اثر همگرایی کلی خوشه می‌شود [ولی اینجا برعکس، همگرایی‌های کوچک‌تر در همین بخش‌های درونی دیده می‌شد-م].

رصدهای طیفی که سپس انجام شدند، سرعت مداریِ ستارگانِ درون چندین کهکشانِ این خوشه‌ها را هم به داده‌های پژوهش افزودند. یکی از این پژوهشگران، پی‌یرو روزاتی از دانشگاه فرارای ایتالیا می‌گوید: «ما بر پایه‌ی رصدهای طیفی توانستیم کهکشان‌ها را با هر خوشه مرتبط کرده و فاصله‌هایشان را برآورد کنیم.»

پیترو برگامینی، یکی دیگر از اعضای این گروه از ایناف میگوید: «سرعت ستارگان برآوردی از جرم هر کهکشان، که ماده‌ی تاریک هم بخشی از آنست به ما داد.»

این دانشمندان نقشه‌های [واقعیِ] ماده‌ی تاریک را با نمونه‌هایی از خوشه‌های کهکشانیِ شبیه‌سازی شده مقایسه کردند- در این شبیه‌سازی‌ها، جرم خوشه‌های به کار رفته و فاصله‌ی آنها برابر با خوشه‌های واقعیِ رصد شده بود. در شبیه‌سازی‌ها، سطح انباشت‌های ماده‌ی تاریکِ خوشه‌ها در کوچکترین مقیاس‌ها با واقعیت‌های رصد شده همسان نبود- در واقعیت‌های رصدی، این کوچک‌ترین مقیاس‌ها مرتبط با تک کهکشان‌های خوشه‌ها بود.

این گروه می‌خواهند آزمون‌های حسمندشان روی مدل استاندارد ماده‌ی تاریک را ادامه دهند تا سرشت فریبنده‌ی آن را بشناسند.

تلسکوپ نانسی گریس رومن ناسا در آینده از راه همگرایی گرانشیِ خوشه‌های کهکشانی بزرگ، کهکشان‌هایی از این هم دورتر را آشکار خواهد کرد. رصدهای آن شمارِ نمونه‌های خوشه‌هایی را که اخترشناسان می‌توانند برای مدل‌سازی‌های بیشترِ مادهی تاریک بررسی کنند افزایش خواهد داد.

--------------------------------------------
تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:
telegram.me/onestar_in_sevenskies
twitter.com/1star_7sky

واژه‌نامه:
dark matter - Alice in Wonderland - Cheshire Cat - gravitational lensing - galaxy cluster - NASA - Hubble Space Telescope - European Southern Observatory - Very Large Telescope - VLT - Chile - Massimo Meneghetti - INAF - National Institute for Astrophysics - Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna - Italy - Priyamvada Natarajan - Yale University - New Haven - Connecticut - Science - funhouse mirror - MACS J1206.2-0847 - MACS J0416.1-2403 - Abell S1063 - The Frontier Fields - Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble - CLASH - Piero Rosati - University of Ferrara - star - Pietro Bergamini - computer simulation - Nancy Grace Roman Space Telescope

منبع: nasa
برگردان: یک ستاره در هفت آسمان