درخشش گامای مرکز کهکشان؛ ماده تاریک یا تپ اخترها؟

به سوی قلب کهکشان نگاه کنید و با درخششی روبه‌رو می‌شوید که به‌سادگی توضیح‌پذیر نیست. این تابش کم‌نور، کروی و در گستره‌ای به وسعت هزاران سال نوری پخش شده است. بیش از یک دهه است که اخترشناسان بر سر منشأ آن بحث می‌کنند: آیا این یک سیگنال غیرمعمول از ماده تاریک است، یا انبوهی از اجرام معمولی که هنوز نمی‌توانیم آن‌ها را ببینیم؟

تصویری از افزونگی پرتو گاما که در مرکز راه شیری مشاهده شده و روی یک تصویر نوری از کهکشان قرار گرفته است. دانشمندان بیش از یک دهه درباره منشأ این افزونگی و این‌که آیا می‌تواند ناشی از ماده تاریک باشد، بحث کرده‌اند. 

مطالعه تازه که به سرپرستی گروه‌هایی از دانشگاه وین و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی انجام شده و در نشریه فیزیکال ریویو لترز منتشر شده است، پرونده را نمی‌بندد. این پژوهش با تغییر شیوه نگاه ما به داده‌ها، پرسش‌ها را دوباره زنده می‌کند. پژوهشگران به جای آن‌که هر پرتو گامای آشکارشده را فقط نقطه‌ای روی نقشه بدانند، به یک مدل یادگیری ماشین آموزش دادند تا هم انرژی هر فوتون و هم موقعیت آن را بخواند. نتیجه، وزن توضیحات محتمل را جابه‌جا می‌کند.

نگاهی دقیق‌تر به مرکز کهکشانی

این پدیده با نام افزونگی مرکز کهکشانی شناخته می‌شود. این افزونگی به صورت گسیل اضافه پرتو گاما در پیرامون هسته راه شیری دیده می‌شود. دو توضیح اصلی تاکنون غالب بوده‌اند: ماده تاریک خودنابودگر، یعنی فرایندی نظری بر پایه ذرات که هنگام برخورد ذرات ماده تاریک پرتو گاما تولید می‌کند، یا جمعیتی پنهان از تپ‌اخترهای میلی‌ثانیه‌ای، ستاره‌های نوترونی بسیار کوچکی که در هر ثانیه صدها بار می‌چرخند و نور پرانرژی گسیل می‌کنند.

کدام توضیح درست است؟ این ناحیه بسیار پیچیده است. مرکز کهکشان در طول موج‌های گوناگون درخشان است و گاز، ستاره‌ها و منابع دیگر در بخش کوچکی از آسمان فشرده شده‌اند. آزمون‌های آماری گذشته معمولا سناریوی تپ‌اخترها را ترجیح می‌دادند، زیرا افزونگی شبیه مجموعه‌ای از چشمه‌های نقطه‌ای تفکیک‌نشده به نظر می‌رسید. با این حال، آن تحلیل‌ها تا حد زیادی یک بخش حیاتی از اطلاعات را نادیده می‌گرفتند: انرژی حمل‌شده توسط هر فوتون پرتو گاما.

برای اصلاح این مسئله، تیم پژوهشی یک شبکه عصبی را با بیش از یک میلیون مشاهده شبیه‌سازی‌شده پرتو گاما آموزش داد. مدل یاد گرفت که هم محل رسیدن فوتون‌ها و هم میزان انرژی آن‌ها را در نظر بگیرد. این ترکیب اهمیت زیادی دارد. طیف‌های انرژی اثر انگشت فرایندهای فیزیکی را در خود دارند. وقتی پژوهشگران انرژی فوتون‌ها را وارد مدل کردند، تصویر تغییر کرد: اگر این گسیل از تپ‌اخترها می‌آید، آن تپ‌اخترها باید بسیار کم‌نورتر از چیزی باشند که مطالعات پیشین فرض کرده بودند. تپ‌اخترهای کم‌نورتر را دشوارتر می‌توان از یک تابش هموار، همان چیزی که از نابودی ماده تاریک انتظار می‌رود، جدا کرد.

یکی از پیامدهای آشکار این است که گزینه تپ‌اخترها اکنون به جمعیتی عظیم نیاز دارد، در حدود ۳۵ هزار تپ‌اختر میلی‌ثانیه‌ای که نزدیک مرکز کهکشان خوشه‌بندی شده باشند. این تعداد بسیار فراتر از برآوردهای پیشین، یعنی چند صد تا چند هزار مورد است. شکل‌گیری و دوام چنین شمار بزرگی از تپ‌اخترها در آن ناحیه فشرده، پرسش‌های اخترفیزیکی جدی ایجاد می‌کند که مدل‌های کنونی به‌سختی می‌توانند به آن‌ها پاسخ دهند.

دیدگاه کارشناس

دکتر لنا اورتیز، اخترفیزیک‌دان فرضی که روی پیمایش‌های پرانرژی کار می‌کند، می‌گوید: «این یک گام رو به جلو دقیق و روش‌مند است. آنچه تغییر کرده فقط یک الگوریتم تازه نیست، بلکه آمادگی برای این است که اجازه دهیم فوتون‌ها کامل‌تر سخن بگویند. انرژی، ویژگی بنیادی هر آشکارسازی است. وقتی آن را وارد تحلیل می‌کنید، مرز میان چشمه‌های نقطه‌مانند و یک مؤلفه هموار محو می‌شود. همین موضوع ماده تاریک را همچنان به‌عنوان یک توضیح جدی در میدان نگه می‌دارد.»

نویسندگان این مطالعه، از جمله فلوریان لیست از دانشگاه وین و نیک راد از لارنس برکلی، درباره محدودیت‌ها صریح هستند. کار آن‌ها ثابت نمی‌کند که ماده تاریک علت این افزونگی است. بلکه یکی از قوی‌ترین استدلال‌های عملی را که علیه فرضیه ماده تاریک به کار گرفته شده بود، تضعیف می‌کند. در واقع، یک مسیر پیشین برای نتیجه‌گیری اکنون اعتبار کمتری پیدا کرده است.

این موضوع مهم است، زیرا افزونگی مرکز کهکشانی مدت‌ها یکی از امیدبخش‌ترین نشانه‌های غیرمستقیم ماده تاریک بوده است. اگر ماده تاریک نابودشونده مسئول این پدیده باشد، دریچه‌ای به فیزیک ذرات فراتر از مدل استاندارد گشوده می‌شود. اما ادعاهای بزرگ به شواهد بزرگ نیاز دارند. تحلیل تازه، بحث را دوباره به قلمرو امکان‌های باز برمی‌گرداند.

نتیجه‌گیری

درس این پژوهش هم فنی است و هم فلسفی. مدل‌های بهتر، استفاده هوشمندانه‌تر از داده‌ها و روش‌های میان‌رشته‌ای می‌توانند نتیجه‌گیری‌هایی را که قطعی به نظر می‌رسند، دگرگون کنند. یادگیری ماشین کشف را از هیچ نمی‌سازد، بلکه ظرافت‌هایی را که از پیش در فوتون‌ها وجود دارند تقویت می‌کند. مرکز کهکشان رازهای خود را یک‌شبه آشکار نخواهد کرد. به کارهای پیگیری نیاز است: پیمایش‌های رادیویی و پرتو ایکس عمیق‌تر برای شکار تپ‌اخترهای کم‌نور، ابزارهای پیشرفته‌تر پرتو گاما و تحلیل‌های مستقل که همان سیگنال‌ها را با فرض‌های متفاوت بیازمایند.

در حال حاضر، درخشش پرتو گاما در هسته کهکشان ما همچنان یک سرنخ باز است. ماده تاریک اثبات نشده است. با این حال، شایسته یک دور دیگر بررسی جدی شده است.