کشف یک کهکشان بدون ماده تاریک ، اخترشناسان را شوکه کرده است

پژوهشگران معتقدند که ماده تاریک سنگ بنای استواری کیهان و کهکشان ها است. اما اکنون موفق به کشف یک کهکشان بدون ماده تاریک شده اند.

سه سال پیش، فیلیپو فرترنالی و همکارانش دوجین کهکشان مرموز پراکنده را مشاهده کردند که شبیه شهرهای پراکنده ستارگان و گاز بودند. اما بر خلاف تقریباً هر کهکشان دیگری که تا به حال دیده شده است – از جمله راه شیری خودمان – به نظر نمی‌رسد که آنها در توده‌های عظیمی از ماده تاریک قرار داشته باشند که به طور معمول آن کلان شهرهای ستاره‌ای را با گرانش خود نگه می‌دارند.

ماجرای کهکشان بدون ماده تاریک چیست؟

دانشمندان یکی از این کهکشان‌ها را برای بزرگنمایی کردن انتخاب کردند؛ کهکشانی با اندازه متوسط در فاصله 250 هزار سال نوری از ما و سپس 27 آنتن تلسکوپ رادیویی آرایه بزرگ را در نیومکزیکو به سمت آن نشانه رفتند.

پس از 40 ساعت جمع آوری داده و اطلاعات از این کهکشان، ستاره‌ها و گازها را تقسیم و آنچه را که عکس‌های اولیه ثبت کرده بودند، تائید کردند. فرترنالی، ستاره شناس موسسه نجوم Kapteyn در دانشگاه گرونینگن هلند می‌گوید:

ماده تاریکی که در این کهکشان پیدا کردیم، بسیار بسیار کوچکتر از آن چیزی است که تصورش را بکنید!

اگر تیم یا رقبای آنها کهکشان‌های دیگری از این دست را بیایند، دیدگاه دانشمندان درباره ماده تاریک را – چشم اندازی که حداقل برای 20 سال است شکل گرفته  با چالش مواجه می‌کند. فرترنالی و همکارانش، یافته‌های خود را در دسامبر و در ماهنامه انجمن سلطنتی نجوم منتشر کردند.

براساس سال‌ها مشاهدات تلسکوپی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، دانشمندان به ماده تاریک به عنوان اسکلت پنهان کیهان نگاه می‌کردند؛ اسکلتی که در واقع توده‌هایی از ذرات نامرئی‌اند و میزبان کهکشان‌های ریز و درشت هستند. اما فرترنالی اولین کسی نیست که بر این قاعده استثنا وارد می‌کند.

چند سال پیش پیتر ون دوکوم، ستاره شناس دانشگاه ییل و همکارانش، کهکشان‌های مشابهی را با تلسکوپ هابل کشف کردند که به نظر می‌رسید فاقد ماده تاریک هستند. ون دوکوم می‌گوید:

کهکشان‌هایی که در سال 2018 پیدا کردیم، بحث‌های زیادی ایجاد کردند زیرا غیرمنتظره بودند و توضیح آنها دشوار بود.

اصولاً کهکشان‌های دیگر در محیطی شلوغ زندگی می‌کنند، جایی که کهکشان‌های بزرگتر و همسایه، اغلب در آن حرکت می‌کنند و احتمالا ماده تاریک را با خود حمل می‌نمایند. در مقابل کهکشانی که فرترنالی کشف کرده، بسیار منزوی است و همسایه‌های آزاردهنده و شلوغ ندارد تا بتوان کمبود ماده تاریک آن را بدین شکل توضیح داد. ون دوکوم می‌افزاید:

این مسئله می‌تواند بسیار قابل توجه باشد! چگونه ستاره‌ها و گازها بدون کمک ماده تاریک می‌توانند گردهم آیند؟

این اجرام عجیب را «کهکشان‌های فوق العاده پراکنده» می‌نامند. آنها در نقاط پرت قرار دارند، به لحاظ جرم کوچک هستند اما در فواصل بسیار زیادی پخش شده‌اند. برخی از آنها به اندازه کهکشان راه شیری هستند اما یک صدم آن و بعضاً کمتر از آن ستاره دارند. آنها آن قدر شفاف هستند که به راحتی در آسمان شب دیده می‌شوند. همچنین در مرکز آنها شفافیت و نور کمتر به چشم می‌آید و تشخیص آنها نیز دشوار می‌شود. میریا مونتس، ستاره شناس موسسه علمی تلسکوپ فضایی در بالتیمور و کارشناس چنین کهکشانی‌هایی می‌گوید:

اکنون به کمک تلسکوپ‌های بهتر و رصدهای عمیق‌تر، این کهکشان‌ها بیشتر شناخته شده‌اند.

از دهه 1960 به بعد، ستاره شناس آمریکایی و دیگران، برای اولین بار وجود ماده نامرئی یا تاریک را حین اندازه گیری سرعت چرخش ستارگان در کهکشان‌ها به دور مرکز، آشکار کردند و نشان دادند که ستارگان داخل کهکشان با سرعت‌های متفاوتی نسبت به ستاره‌های بیرونی به دور مرکز خود می‌چرخند.

پیرو چرخش ستارگان به حول مرکز خود، دانشمندان محاسبه کردند که هر کهکشان چه مقدار باید جرم داشته باشد تا به جای پرتاب کردن اجزای خود به اعماق فضا، آنها را دائما در مدار نگاه دارد. برای بسیاری از کهکشان‌ها این جرم چندین برابر کل ستارگان بود. دانشمندان این گونه استنباط کردند که نوعی ماده وجود دارد که نه دیده می‌شود و نه می‌توان آن را اندازه گیری کرد اما جرمی دارد که می‌تواند کهکشان‌ها و اجزای درونی آنها را کنار هم نگاه دارد.

اما اندازه گیری‌های فرترنالی و همکارانش نشان می‌دهد که برای کهکشان بسیار پراکنده آنها نیازی به فراخوانی ماده تاریک نیست. سرعت چرخشی که آنها اندازه گیری می‌کنند با جرم ستاره‌ها و ابرهای گازی که مشاهده کرده‌اند، کاملا یکسان است، بدون اینکه نیازی به جرم اضافی که قابل مشاهده نیست داشته باشد.

مونتس و گروه تحقیقاتی او قصد دارند تا این کهکشان‌ها و حومه آنها را با جزئیات بیشتر بررسی کنند تا بلکه ماده تاریکی که فرترنالی و تیمش نتوانسته‌اند ردیابی کنند را بیابند. اما حداقل این کهکشان برای ما شبیه یک معماست.

فرترنالی اشاره می‌کند که کهکشان آنها که AGC 114905 نامگذاری شده، یک کهکشان کج است. برخی از کهکشان‌ها شبیه بشقاب پرنده هستند و اگر تلسکوپ‌های روی زمین بتوانند آنها را به درستی ببینند، رصدشان برای محققان آسان می‌شود. آنها می‌توانند ستاره‌های در حال گردش را در یک طرف دیسک کهکشانی ببینند که به سمت ما حرکت می‌کنند و ستاره‌هایی که دور از ما در گردش‌اند.

اگر دانشمندان بتوانند سرعت این ستارگان را اندازه گیری کنند، می‌توانند جرم کهکشان را تخمین بزنند و متوجه شوند که آیا مقداری از این جرم برای ماده تاریک است یا خیر! اما فرترنالی محاسبه می‌کند که کهکشان AGC 114905 بیشتر از 30 درجه شیب دارد؛ بنابراین ستاره شناسان باید اندازه گیری‌های خود جرم را اصلاح کنند تا شیب آن را حساب نمایند.

اگر آنها در مورد آن درجه شیب اشتباه می‌کنند، اندازه گیری‌های آنها در واقع می‌تواند فضای زیادی را برای ماده تاریک باقی بگذارد. اما با فرض اینکه حق با این تیم باشد، هنوز دقیقا مشخص نیست که کهکشان آنها چه نوع استثنایی محسوب می‌شود. آیا این کهکشان یک جسم کیهانی عجیب است که کسی آن را درک نمی‌کند؟ یا منادی مشکلات بزرگتر برای نظریه ماده تاریک است؟

تاکنون با هیچ یک از توضیحات ارائه شده، منشا چنین کهکشان‌هایی مشخص نشده است. برخی از ستاره شناسان حدس می‌زنند که چنین کهکشانی با ماده تاریک اندک، می‌تواند بقایای یک جفت کهکشان دیگر باشد که با کشش گرانشی خود یکدیگر را می‌کشند و حباب پف کرده‌ای از ستارگان و گاز را در پی خود برجای می‌گذارند. ون دوکوم می‌گوید:

اما هیچ کهکشان غول پیکری در مجاورت کهکشان دیگری وجود ندارد بنابراین توضیحی برای آن نیست!

نظریه دیگر راجع به این کهکشان این است که می‌تواند بقایای انفجارهای ستاره‌ای گذشته باشد. همه ستارگان در نهایت می‌میرند و برخی با صدای مهیبی بیرون می‌جهند و تبدیل به سوپرنوآ یا ابرنواختر می‌شوند. ابرنواخترها ممکن است قسمت‌هایی از کهکشان را متلاشی و پخش کند و موادی از جمله ابرهای گازی را بیرون برانند. اما این مورد درباره کهکشان AGC 114905 صدق نمی‌کند. فرترنالی می‌گوید:

این مورد درباره کهکشان ما صدق نمی‌کند زیرا هنوز با مقدار زیادی گاز پر است که به عنوان سوخت برای ستاره‌های جدید عمل می‌کند.

در واقع به نظر نمی‌رسد که AGC 114905 با هیچ مدلی که متضمن ماده تاریک است، منطبق باشد. برای دهه‌های متمادی، دانشمندانی همچون لورا سیلز، اخترفیزیکدان موسسه UC Riverside، کیهان را روی رایانه‌های قدرتمند شبیه سازی کرده‌اند و تلاش نموده‌اند تا نشان دهند که چگونه مدل‌های ماده تاریک قادر هستند تا میلیون‌ها کهکشان را که ستاره شناسان با تلسکوپ‌های خود می‌نگرند، بازتولید کنند. سیلز می‌گوید:

ما سریعاً شبیه سازی‌های خود را بررسی کردیم و باید اعلام کنیم که چیزی شبیه به این کهکشان نداریم.

در عوض کهکشان فرترنالی و دیگران، می‌تواند به جایگزینی برای ماده تاریک اشاره کنند. وقتی دانشمندان در خصوص ماده تاریک اطلاعاتی کسب می‌کنند، در واقع در مورد نحوه عملکرد گرانش نیز مفروضاتی ایجاد می‌نمایند. اما چه می‌شود اگر گرانش کمی متفاوت از آنچه آنها فکر می‌کردند، عمل کند؟

فرترنالی و همکاران وی یک رقیب پیشرو در میان جایگزین‌های ماده تاریک به نام MOND یا دینامیک نیوتونی اصلاح شده که شامل تغییر قانون گرانش ایزاک نیوتن است، آزمایش کردند. فرضیه مذکور اولین توسط فیزیکدانی اسرائیلی به نام میلگروم مطرح شد. این فرضیه سعی می‌کند تا قانون گرانش نیوتن را اصلاح کند و مسئله چرخ کهکشانی را شرح دهد.

در کهکشان‌ها سرعت چرخش ستاره‌ها و گازها به دور مرکز کهکشان یکنواخت است که با پیش بینی قانون گرانش نیوتن مغایرت دارد. این قانون بیان می‌کند که اجرام دورتر باید با سرعت کمتری بچرخند.

سیلز می‌گوید هنوز خیلی زود است که بگوییم آیا AGC 114905 مشکلی در نظریه‌های ماده تاریک دارد یا خیر. در حال حاضر فرترنالی و دیگر دانشمندان به بررسی این کهکشان مرموز و قبلا نادیده گرفته شده ادامه می دهند و امیدوار هستند که با ارسال تلسکوپ جیمز وب به فضا این معما حل شود. ون دوکوم می‌گوید:

این طور نیست که در حال کاوش در لبه کیهان باشیم یا سعی کنیم یک سیاره کوچک را در کنار یک ستاره ببینیم. با ابزارهایی که ما در اختیار داریم این کار قابل انجام است. چیزی که مرا هیجان زده می‌کند، همین است.