راز سه کهکشان کوتوله که بی نیاز از ماده تاریک اند

تصور کنید رشته‌ای از کهکشان‌های کم‌نور مانند گردنبندی در تاریکی چیده شده‌اند، با این تفاوت که مهره‌ها فاقد همان چسب نامرئی‌اند که مدت‌ها تصور می‌کردیم کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد. عجیب، سرکش و کنجکاوی‌برانگیز.

ان‌جی‌سی ۱۰۵۲-دی‌اف۹ تازه‌ترین عضو این صف نامعمول است؛ کهکشانی در فاصله حدود ۶۷ میلیون سال نوری که در کنار دی‌اف۲ و دی‌اف۴ قرار می‌گیرد، چون حرکت‌های درونی آن را می‌توان بدون توسل به ماده تاریک توضیح داد. همین گزاره کوتاه، انتظاری بزرگ را به چالش می‌کشد: تقریبا هر کهکشانی که بررسی می‌کنیم، ظاهرا درون هاله‌ای عظیم از جرم نادیدنی زندگی می‌کند که جرم آن حدود پنج برابر ماده معمولی است.

چطور ممکن است سه همسایه، همگی ظاهرا از داربست تاریک خود جدا شده باشند؟ این الگو آن‌قدر منسجم است که نمی‌توان آن را صرفا یک تصادف دانست. دی‌اف۲ نخستین بار در سال ۲۰۱۸ اخترشناسان را شگفت‌زده کرد و دی‌اف۴ نیز در سال ۲۰۱۹ از راه رسید؛ هر دو در همان ناحیه باریک از فضا قرار دارند. پژوهش‌های بعدی نشان داد این اجرام بخشی از زنجیره‌ای خطی از کهکشان‌های کوتوله‌اند که در امتداد سامانه بزرگ‌تر ان‌جی‌سی ۱۰۵۲ کشیده شده‌اند و اعضای این زنجیره چنان با هم حرکت می‌کنند که گویی حرکتشان از پیش طراحی شده است.

ان‌جی‌سی ۱۰۵۲-دی‌اف۹، سومین کهکشانی که حرکت‌های آن را می‌توان بدون ماده تاریک توضیح داد.

دی‌اف۹ امیدوارکننده‌ترین گزینه برای آزمونی تازه به نظر می‌رسید: اندازه‌ای مشابه، درخشندگی‌ای نزدیک و سامانه‌ای قابل مقایسه از خوشه‌های ستاره‌ای. هنگامی که پژوهشگران به سرپرستی مایکل کایم و پیتر ون دوکوم تلسکوپ‌ها و داده‌های طیفی را به سوی آن نشانه رفتند، نتیجه همان ناهنجاری‌های پیشین را تکرار کرد. ستارگان دی‌اف۹ به‌سادگی آن‌گونه مدار نمی‌زنند که انگار درون هاله‌ای عظیم از ماده تاریک جای گرفته‌اند.

این رشته از کهکشان‌های کوتوله فقیر از ماده تاریک، آزمایشگاهی طبیعی و کمیاب برای سنجش رفتار ماده تاریک است.

یکی از فرضیه‌هایی که جدی‌تر دنبال می‌شود، تصویری روشن و خشونت‌بار دارد: سناریوی موسوم به کوتوله گلوله‌ای. دو کهکشان کوچک را تصور کنید که در مسیر برخوردی مستقیم به سوی هم می‌روند. بیشتر ستارگان از کنار یکدیگر عبور می‌کنند، زیرا فاصله میان آن‌ها بسیار زیاد است، بنابراین مدارهای ستاره‌ای تا حد زیادی بی‌وقفه ادامه می‌یابند. ماده تاریک نیز در بیشتر مدل‌های فیزیک ذرات رفتاری مشابه دارد و از میان برخورد عبور می‌کند. اما گاز ماهیتی برخوردی دارد. ابرهای گازی به هم می‌کوبند، انرژی از دست می‌دهند و از حرکت بازمی‌ایستند.

آن گاز باقی‌مانده که نسبت به هاله‌های تاریک عبوری متوقف شده است، می‌تواند سرد شود و به توده‌هایی برای زایش ستارگان تازه فروبپاشد. با گذشت زمان، این بقایای سرشار از گاز ممکن است به کهکشان‌هایی کوچک متراکم شوند که نسبتا از ماده تاریک تهی‌اند، چون هاله‌های تاریک مسیر خود را ادامه داده‌اند. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد این فرایند می‌تواند سامانه‌هایی فشرده و کم‌نور مانند دی‌اف۲، دی‌اف۴ و اکنون دی‌اف۹ پدید آورد. راه‌حلی ظریف است، البته به شرط آنکه برخوردهای اولیه و شرایط لازم درست کنار هم قرار گرفته باشند.

ردپای عجیب کهکشان‌های کم‌نور و سه کهکشانی که تاکنون بررسی شده‌اند: دی‌اف۲، دی‌اف۴ و دی‌اف۹. تصویر نزدیک هابل از دی‌اف۹ در زیر نمایی گسترده‌تر از ناحیه پیرامونی ان‌جی‌سی ۱۰۵۲ دیده می‌شود و کادر قرمز، ناحیه گردآوری داده‌ها را نشان می‌دهد.

اهمیت این زنجیره فراتر از یک روایت هوشمندانه درباره منشأ آن است. اگر این کهکشان‌های کوتوله واقعا پس از برخوردی شدید شکل گرفته باشند، شواهد به سود ماده تاریکی است که مانند یک ماده فیزیکی رفتار می‌کند؛ ذرات یا میدان‌هایی که مستقل از گاز باریونی حرکت می‌کنند. این برداشت در برابر نظریه‌های گرانش جایگزین قرار می‌گیرد که می‌کوشند نیاز به ماده تاریک را حذف کنند. به بیان دیگر، همین استثناها شاید قاعده را تقویت کنند.

با این حال، پرسش‌ها سریع‌تر از پاسخ‌ها تکثیر می‌شوند. چه چیزی برخوردهای اولیه را رقم زد؟ چنین زنجیره‌هایی چقدر رایج‌اند؟ آیا سوگیری‌های رصدی می‌توانند تصویر ما را منحرف کرده باشند؟ بررسی‌های جنبشی این گروه، با ترکیب تصویربرداری عمیق از دیکالز و هابل با طیف‌سنجی دقیق، محدودیت‌ها را محکم‌تر کرده است، اما هنوز نشانه‌ای قطعی و تعیین‌کننده به دست نداده‌اند.

برای کیهان‌شناسی رصدی، اهمیت موضوع کاملا ملموس است. اگر کوتوله‌های بیشتری با کمبود ماده تاریک در همین ساختار پیدا شوند و اگر شبیه‌سازی‌ها بتوانند هم آرایش و هم حرکت‌های آن‌ها را بازتولید کنند، محیطی کنترل‌شده برای کاوش رفتار غیرگرانشی ماده تاریک به دست می‌آوریم؛ یا اگر ماده تاریک از انطباق با داده‌ها سر باز زند، آن را در تنگنای بیشتری قرار می‌دهیم. برای نظریه‌پردازان، این اجرام معیارهایی کمیاب‌اند: سامانه‌هایی کوچک و ساده که در آن‌ها آشفتگی‌های فیزیک باریونی محدودتر است و ردپاهای ماده تاریک، یا نبود آن‌ها، آسان‌تر خوانده می‌شود.

نتایج تازه دی‌اف۹ در مجله اخترفیزیک منتشر شده و در ادامه مجموعه‌ای از مقالاتی آمده است که به‌تدریج این گوشه از آسمان را از یک کنجکاوی ساده به میدان آزمون تبدیل کردند. اخترشناسان به جست‌وجوی نامزدهای بیشتر در ناحیه ان‌جی‌سی ۱۰۵۲ ادامه خواهند داد و شبیه‌سازی‌های با وضوح بالاتر اجرا می‌کنند تا ببینند آیا برخوردهای کوتوله گلوله‌ای، یا سازوکاری عجیب‌تر، می‌تواند به‌طور پایدار رشته‌ای خطی از کهکشان‌های فقیر از ماده تاریک بسازد یا نه.

حالا چه باید کرد؟ باید همچنان تماشا کرد. کیهان عادت دارد رازهایش را هر بار از دل یک مورد نامتعارف پیش چشم ما بگذارد، و این زنجیره کم‌نور از کوتوله‌های سرکش شاید بیش از هزار کهکشان معمولی درباره معماری نامرئی کیهان به ما بگوید.