6 دقیقه
نقش ماده تاریک در ساختار کهکشان‌ها
کهکشان‌ها ساختارهای کیهانی بسیار پیچیده‌ای هستند که فراتر از آنچه در ستارگان قابل مشاهده دیده می‌شود، اهمیت دارند. در قلب این پیچیدگی، ماده تاریک قرار دارد؛ ماده‌ای اسرارآمیز و نادیدنی که نقش کلیدی در شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها ایفا می‌کند. پیش از آن‌که اولین ستارگان، جهان را روشن کنند، ماده تاریک شروع به تجمع نمود و با نیروی گرانشی خود، ماده معمولی را گرد هم آورد. این فرآیند زیرساخت نامرئی یا به‌اصطلاح «هاله ماده تاریک» را به وجود آورد که پایه‌ای برای پیدایش کهکشان‌هایی مانند کهکشان راه شیری شد.
تحقیقات نجومی نوین نشان داده‌اند که تقریباً هر کهکشان در هاله‌ای عظیم از ماده تاریک محصور است. این هاله‌ها از لبه‌ی قابل مشاهده کهکشان بسیار فراتر می‌روند و همانند لنگری کیهانی عمل می‌کنند که مانع خروج ستارگان به فضای میان‌کهکشانی می‌شوند؛ حتی با وجود حرکت سریع آنان. برهم‌کنش مادام میان ماده تاریک و ماده معمولی، به شکل‌گیری دینامیک و تکامل کهکشانی کمک می‌کند.
تا چندی پیش، بیشتر پژوهش‌ها روی تأثیر ماده تاریک بر ماده معمولی (باریونی) متمرکز بود. اما مطالعات جدید این سؤال را مطرح کرده‌اند که آیا ستارگان و گازهای موجود در بازوهای مارپیچی یک کهکشان، می‌توانند به نوبه خود بر ماده تاریک تأثیر بگذارند؟
بررسی تعامل بازوهای مارپیچی و ماده تاریک
کهکشان‌های مارپیچی مانند راه شیری با بازوهای ستاره‌ای خیره‌کننده‌شان شناخته می‌شوند. هرچند بازوهای مارپیچی همانند امواج زیبایی از ستارگان و گاز به نظر می‌رسند، اما اخترشناسان آن‌ها را به صورت موج فشار یا «ترافیک کیهانی» – مناطقی با تراکم موقتی ماده – بررسی می‌کنند.
شبیه‌سازی‌های پیشرفته اخیر، پدیده‌ای خارق‌العاده را پیشنهاد می‌کنند: مارپیچ‌هایی از ماده تاریک، که همتایان شبح‌گونه بازوهای مارپیچی قابل مشاهده هستند، ممکن است در هاله کهکشانی در بالا و پایین صفحه کهکشان پنهان شده باشند. پژوهشگران این ویژگی‌های ظریف را با بررسی اثرات گرانشی حرکت بازوهای مرئی در شبیه‌سازی کهکشان‌ها کشف کردند. تصاویر هنری، شکل‌گیری این مارپیچ‌های ماده تاریک را پیرامون قرص شناخته‌شده کهکشان نشان می‌دهند که با خطوط سبز در نمای روبرو و لبه‌ای راه شیری نمایش داده شده‌اند.
پیش‌زمینه نظری این کشف به سال ۱۹۴۳ بازمی‌گردد؛ زمانی که سابرامانیان چاندراسکار، برنده نوبل، مفهوم «اصطکاک دینامیکی» را معرفی کرد. در نجوم، این پدیده زمانی رخ می‌دهد که جسمی پرجرم در میدانی از ذرات سبک‌تر حرکت می‌کند و با ایجاد موج گرانشی پیشرونده، نیروی کششی ایجاد می‌نماید – مشابه قایقی که در آب موج برمی‌دارد. این اثر موجب کندی حرکت اجرام مداری مانند کهکشان‌های اقماری راه شیری و نزدیک‌تر شدن تدریجی آن‌ها می‌شود.
مارسل برنه، پژوهشگر دکتری دانشگاه بارسلونا، با الهام از این مفاهیم، این پرسش را مطرح کرد: آیا بازوهای درخشان یک کهکشان مارپیچی نیز می‌توانند در هاله ماده تاریک پیرامونی، ردپایی گرانشی مشابه برجای بگذارند؟
شبیه‌سازی‌ها و کشف بازتاب‌های گرانشی ماده تاریک
روش‌شناسی و رویکرد علمی
برای پاسخ به این سؤال، برنه و همکارانش از شبیه‌سازی‌های با وضوح بالا از کهکشان‌ها استفاده کردند تا رفتار جمعی ستارگان، گاز و ماده تاریک را در مقیاس میلیاردها سال دنبال کنند. این جهان‌های مجازی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا شکل‌گیری ساختارهای پیچیده کهکشان‌ها را بررسی کنند.
در این شبیه‌سازی‌ها، ذرات دیجیتالی گوناگون اجزای مختلف کهکشان واقعی را نمایندگی می‌کنند. با پیشرفت شبیه‌سازی، پژوهشگران به‌دنبال مارپیچ‌های ماده تاریک ضعیف‌تر اما اثرگذار، نزدیک به بازوهای ستاره‌ای، می‌گشتند؛ همانند سایه‌هایی که بدست نیرویی ناپیدا ایجاد شده باشند.
تیم پژوهشی موفق شد این مارپیچ‌های ماده تاریک را در چندین شبیه‌سازی مستقل کشف کند که نشان می‌دهد این پدیده ویژگی مشترک کهکشان‌های مارپیچی است، نه حاصل کد یا شرایط خاصی. هرچند این بازوهای ماده تاریک نسبت به بازوهای ستاره‌ای کمتر برجسته‌اند، اما اثر قابل اندازه‌گیری در حرکات ذرات ماده تاریک بر جای گذاشته‌اند.
دیدگاه متخصصان و پیامدهای علمی
در حالی که مدل‌های پیشین تأثیر متقابل ماده عادی (باریون‌ها) بر ماده تاریک را کمتر جدی می‌گرفتند، شواهد جدید این دیدگاه را به چالش می‌کشد. به گفته آلیسون بروکس، اخترفیزیکدان دانشگاه راتگرز: «تا مدت‌ها اخترشناسان تأثیر گاز و ستاره‌ها بر ماده تاریک را نادیده می‌گرفتند و این موضوع به برداشت‌های اشتباه درباره شکل‌گیری کهکشان‌ها انجامیده بود. اکنون مشخص شده که لحاظ کردن این تعاملات، مدل‌های ما را به مشاهدات و توزیع جرم کهکشان‌ها نزدیک‌تر می‌کند.»
این رقص پیچیده میان ماده معمولی و ماده تاریک، می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای برای درک ما از پیدایش و پایداری بازوهای مارپیچی و همچنین توزیع ماده تاریک در دیسک کهکشان‌ها داشته باشد.
جستجوی ردپای ماده تاریک در جهان
افق‌های رصدی و چالش‌های اندازه‌گیری
برنه پیشنهاد می‌کند که در آینده، پیمایش‌های نجومی با اندازه‌گیری دقیق چگالی ماده تاریک در سراسر دیسک راه شیری می‌توانند این مارپیچ‌ها را شناسایی کنند. او می‌گوید: «در حال حاضر چگالی ماده تاریک را در نزدیکی منظومه شمسی به دقت می‌دانیم. اگر این اندازه‌گیری‌ها را به سراسر قرص کهکشان گسترش دهیم، باید بتوانیم الگوهای مارپیچی در توزیع ماده تاریک را شناسایی کنیم، اگر واقعاً وجود داشته باشند.»
با این حال، شناسایی این ردها در کیهان واقعی با دشواری‌های زیادی همراه است. ماده تاریک نه نور را منتشر می‌کند، نه جذب و نه بازتاب می‌دهد، بنابراین تشخیص مستقیم آن با تلسکوپ‌های معمول تقریباً غیرممکن است. اخترشناسان برای آشکارسازی آن از اثرات گرانشی، همانند نحوه خم شدن مسیر ستارگان یا اختلال در مدار گازها، استفاده می‌کنند.
با وجود این موانع، این کشف افق‌های جدیدی برای روش‌های آشکارسازی غیرمستقیم و حتی آزمایشگاه‌های پژوهشی گشوده است. پیش‌بینی‌های نظری درباره چگالی بالاتر ماده تاریک در نزدیکی بازوهای مارپیچی می‌تواند راهبردهای جستجو برای کشف مستقیم ماده تاریک را بهینه کند؛ هدفی که سال‌هاست ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است.
همانگونه که بروکس اشاره می‌کند: «این نتایج اهمیت زیادی دارند، زیرا نگاه ما به نشانه‌های ماده تاریک در کهکشان‌ها را تغییر می‌دهند. درک بهتر چگالی ماده تاریک نزدیک منظومه شمسی و برنامه‌ریزی برای آزمایش‌های آتی، مستقیماً از این یافته‌ها تأثیر می‌پذیرند.»
جمع‌بندی
شناسایی مارپیچ‌های ماده تاریک که به دنبال بازوهای نورانی کهکشان حرکت می‌کنند، گامی مهم در فهم تکامل کهکشان و نقش ماده تاریک است. این دستاوردها نشان می‌دهند که ماده تاریک تنها یک چارچوب ایستا و ناپیدا نیست، بلکه بازیگری پویا در صحنه کیهان است که به ظرافت با رقص گرانشی ستارگان، گازها و تاریخچه کیهانی هماهنگ است. پژوهش‌های آینده، چه رصدی چه تجربی، نوید افشای رازهای بیشتری را از ردپای ظریف ماده تاریک می‌دهند و ما را یک گام به هدف نهایی اخترفیزیک؛ یعنی کشف مستقیم و درک جامع جرم پنهان جهان، نزدیک‌تر می‌کنند.
.avif)
نظرات