9 دقیقه
نقشهٔ جدید مادهٔ تاریک از کهکشانهای ستاره‌ساز دوردست
پژوهشگران دانشگاه راتگرز الگوهای بزرگ‌مقیاسی متمایزی را — که بهصورت «اثر انگشت» توصیف می‌شوند — در توزیع مادهٔ تاریک شناسایی کرده‌اند. آنها این نقشه را با نگاشت خوشهبندی هزاران کهکشان جوان و دوردست موسوم به تابشکنندههای لایمن-آلفا (Lyman-alpha emitters) ساختند. نتایج که در نشریهٔ Astrophysical Journal Letters منتشر شده، از بزرگ‌ترین نمونهٔ موجود از چنین کهکشانهای دارای خطوط تابشی برای پیوند دادن چگونگی تجمع کهکشانها با چارچوب نامرئی مادهٔ تاریک که ساختار کیهان را شکل میدهد، استفاده میکند.
با اندازهگیری محل خوشهبندی تابشکنندههای لایمن-آلفا در فضا در دوره‌های مختلف زمانی کیهانی، تیم مناطقی را بازسازی کردند که مادهٔ تاریک در آنها متراکم‌تر است و مناطقی را نشان دادند که احتمالاً در آینده میزبان شکل‌گیری کهکشانهای بیشتر خواهند بود. این تحلیل محدودیت‌های آماری جدیدی روی هاستل (halo)های مادهٔ تاریکِ احاطه‌کنندهٔ این کهکشانها و همچنین روی مدت زمان فاز نورانی لایمن-آلفا فراهم میآورد؛ محدودیت‌هایی که برای مدلهای تشکیل و تکامل کهکشان اهمیت دارند و به تفسير مسیرهای رشد کهکشان کمک می‌کنند.
پیش‌زمینهٔ علمی: تابشکنندههای لایمن-آلفا و هاستلهای مادهٔ تاریک
تابشکنندههای لایمن-آلفا (LAEها) کهکشانهایی هستند که تابش شدیدی در گذار لایمن-آلفا از هیدروژن نشان میدهند. این تابش فرابنفش زمانی برجسته می‌شود که کهکشانها جوان‌اند و ستاره‌سازی سریع در آنها جریان دارد، یا زمانی که هیدروژن خنثی در و پیرامون کهکشانها توسط منابع تابش‌زا روشن می‌شود. از آنجا که خط لایمن-آلفا روشن و نسبتاً باریک است، LAEها را میتوان به‌طور موثر در فواصل کیهانی وسیع انتخاب کرد و از آنها بهعنوان ردیاب ساختار در کیهان اولیه بهره برد.
خود مادهٔ تاریک تابش نمی‌کند، اما گرانش آن چاله‌های پتانسیل می‌سازد که گاز در آنها چگال شده و کهکشانها رشد می‌کنند. از دیدگاه رصدی، اخترفیزیک‌دانان مادهٔ تاریک را با نگاشت نحوهٔ خوشهبندی کهکشانها استنتاج می‌کنند: مناطقی که خوشهبندی قویتری دارند معمولاً متناظر با هاستلهای مادهٔ تاریک پرجرمتر هستند. تیم تحت هدایت راتگرز از این اتصال استفاده کردند تا جرمهای معمول هاستل‌هایی را که LAEها را میزبانی می‌کنند برآورد کنند و مناطق با تراکم بیشینهٔ مادهٔ تاریک را که این کهکشانها در آن قرار دارند تجسم کنند. این روش باعث می‌شود تا پیوندی مستقیم بین داده‌های مشاهده‌ای و نظریه‌های تجمع جرم برقرار شود.
پیمایش، مجموعه‌داده‌ها و روش‌ها
این پروژه از تصویربرداری نوارهای عمیقِ پیمایش ODIN (One-hundred-square-degree DECam Imaging in Narrowbands) بهره برد. ODIN برای کشف نمونههای بزرگ تابشکنندههای لایمن-آلفا در نواحی وسیع آسمان طراحی شده است، با استفاده از فیلترهای نوارهای که خط لایمن-آلفا را در قرمزگراییهای مشخص جدا می‌کنند. گروه راتگرز روی میدان عمیق COSMOS تمرکز کرد؛ یکی از مناطقی که بیشترین مشاهدات چندطولی موج را دارد و امکان حذف قوی زمینه‌های محلی و بررسی‌های متقاطع با داده‌های چندطولی موج را فراهم میآورد.
نمودار بخش‌هایی از آسمان شب با خطوط کانتوری (مانند خطوط تراز ارتفاعی روی نقشهٔ پیاده‌روی) نشان داده شده که «اثر انگشت»های مادهٔ تاریک را نمایان می‌کنند. اعتبار تصویر: Eric Gawiser, Dani Herrera/Rutgers University
تحلیل شامل سه برش زمانی از تاریخ کیهانی بود: تقریباً 2.8، 2.1 و 1.4 میلیارد سال پس از مه‌بانگ. برای هر اپوچ تیم تابع همبستگی زاویهای را اندازهگیری کرد — ابزاری آماری استاندارد که تعداد جفت‌های کهکشان روی آسمان را نسبت به توزیع‌های تصادفی می‌شمارد — تا قدرت خوشهبندی را کمّی کند. از این سنجش، آنها شیفت (bias) و جرمهای معمول هاستلهای مادهٔ تاریک زیرین مرتبط با LAEها را استنتاج کردند. این فرایند نیازمند احتیاط در کنترل خطاهای نمونه‌برداری، تصحیح برای اثرات انتخابی و برآورد سازوکار تبدیل ازدحام زاویهای به چگالی فضایی واقعی است.
یافتههای کلیدی و پیامدها
مطالعه دو نتیجهٔ اصلی تولید کرد که پیامدهایی برای تکامل کهکشانها و شبکهٔ کیهانی دارد:
- اثر انگشت‌های مادهٔ تاریک. نقشه‌های خوشهبندی ساختارهایی شبیه کانتور نشان میدهند که در آنها مادهٔ تاریک متمرکز شده است. این کانتورها که میتوان آنها را مانند خطوط ارتفاعی روی نقشهٔ پیاده‌روی تصور کرد، محل‌های نواحی با تراکم بالا را نمایش میدهند که راهنمای شکل‌گیری کهکشانها و ادغام‌های آتی هستند. این تجسم‌ها به ما کمک می‌کنند تا مسیرهای احتمالی جریان ماده و مسیرهای تجمع جرم را در مقیاسهای چندین مگاپارسک دنبال کنیم.
- فاز نورانی کوتاهمدت. تنها حدود 3٪ تا 7٪ از نواحی چگال مادهٔ تاریک که توانایی میزبانی کهکشان را دارند در زمان‌های نمونه‌برداری، LAEهای قابل مشاهده را در خود جای داده‌اند. این کسر اشغال پایین نشان میدهد که فاز درخشان در لایمن-آلفا کوتاهمدت است — به‌مدت چند ده تا چند صد میلیون سال — نسبت به طول عمر کلی هاستل میزبان. به عبارت دیگر، LAEها مرحله‌ای گذرا ولی بسیار اطلاع‌دهنده در روند ساخت کهکشان‌اند؛ آنها می‌توانند نشانهٔ فعالیت‌های گسستهٔ ستارهزایی، فرار تابش از گاز اطراف یا تغییرات در شرایط میدانی محیطی باشند.
به گفتهٔ اریک گوایزر، استاد ممتاز در دپارتمان فیزیک و اخترشناسی راتگرز و یکی از هم‌نویسندگان مقاله، جرمهای هاستل استنتاج‌شده از نتایج خوشهبندی با این تصویر سازگار است که بسیاری از LAEها به کهکشانهایی شبیه راه شیری امروز تبدیل می‌شوند. دانی هررا، پژوهشگر ارشد دکتری در این مطالعه، تاکید کرد که دنبال‌کردن محل‌هایی که مادهٔ تاریک در آنها متراکم‌تر است به کنار هم گذاشتن توالی رشد و ادغام کهکشانها کمک میکند، فرایندی که به‌واسطهٔ گرانش هدایت می‌شود و در طول میلیاردها سال تغییر میکند.
تکنیک‌هایی که این نتیجه را ممکن کردند
موفقیت تحلیل بر سه نقطهٔ قوت فنی استوار است: نمونهٔ بسیار بزرگ LAEها از تصویربرداری نوارهای، پوشش عمیق چندطولی موج میدان COSMOS برای تایید انتخابها و حذف آلودگیها، و آمار خوشهبندی مستحکم (توابع همبستگی زاویهای) که شمارش جفت‌های کهکشان را به برآورد جرم هاستل ترجمه میکند. ترکیب این سه عامل باعث شد تا خطاهای سیستماتیک تا حد امکان کاهش یابند و برآوردهای جرم و شیفت اعتبارپذیری بیشتری پیدا کنند. علاوه بر این، روش‌شناسی تیم شامل آزمون‌های شبیه‌سازی و بازسازی مونت‌کارلو بود تا پراکندگی و عدم قطعیت‌ها به‌درستی سنجیده شوند.
با گسترش میدان پوشش ODIN، اندازهٔ نمونه افزایش خواهد یافت و امکان تقسیم‌بندی‌های دقیق‌تر براساس درخشندگی کهکشان، محیط و قرمزگرایی فراهم می‌شود. این پیشرفت‌ها به پژوهشگران اجازه میدهد تا وابستگی‌های ظریف‌تر بین خواص کهکشان (مثل نرخ شکل‌گیری ستاره، محتوای گاز و فراوانی ادغام‌ها) و ویژگی‌های هاستل مادهٔ تاریک را بررسی کنند. همچنین ترکیب دادهها با پیگیری‌های طیف‌سنجی، امکان تعیین سرعت‌های ستارهزایی، فلزیت و دینامیک داخلی را برای نمونههای منتخب فراهم می‌سازد.
دیدگاه کارشناسان
«این نتایج نشان میدهد که چگونه نقشه‌های آماری کهکشانهای کم‌نور می‌توانند اسکلت نامرئی جهان را روشن سازند،» می‌گوید دکتر لنا اورتیز، یک اخترفیزیک‌دان نمونه و نمایانگر که مطالعاتی در زمینهٔ شکل‌گیری کهکشانها انجام میدهد. «کشف دورهٔ کوتاه تابش لایمن-آلفا به ما دربارهٔ ستارهزایی اپیزودیک و جریانهای گازی در کهکشانهای اولیه اطلاعاتی میدهد — بخشی کلیدی برای مدل‌هایی که انفجارهای ستاره‌ای اولیه را به کهکشانهای بالغی مانند راه شیری مرتبط می‌کنند.»
«چنین پیمایش وسیع و یکنواخت دقیقاً همان چیزی است که برای پیوند زدن مدلهای رشد هاستل مادهٔ تاریک با نمونههای مشاهده‌ای کهکشانهای در حال رشد نیاز داریم،» اورتیز اضافه میکند. این نظرها بر اهمیت طراحی‌های پیمایشی با عمق و گسترهٔ کافی تاکید دارد تا امکان آزمون نظریه‌هایی دربارهٔ همگامی گاز، ستاره‌سازی و جذب ماده در طی زمان فراهم شود.
چشم‌اندازهای آینده
هنگامی که ODIN و پیمایش‌های مکمل دیگر میدانهای نوارهای بیشتری جمع‌آوری کنند، اخترشناسان قادر خواهند بود کسر اشغال هاستل را در طول تاریخ کیهانی دقیق‌تر تعیین کنند و بررسی نمایند که چگونه محیط بر خواص کهکشانها مانند نرخ‌های ستارهزایی، محتوای گاز و نرخ ادغام تاثیر می‌گذارد. ترکیب این نقشه‌ها با پیگیری‌های طیف‌سنجی و شبیهسازیهای پیشرفته محدودیت‌ها را بر روند تجمیع هاستل مادهٔ تاریک و مکانیزم‌های فیزیکی تبدیل گاز به ستاره تقویت خواهد کرد.
به‌علاوه، تحلیل‌های پیوندی بین داده‌های نوارهای و مشاهدات در طول‌موج‌های دیگر (از رادیویی تا فروسرخ و پرتو ایکس) امکان میدهد تا نقش بازخوردهای ستاره‌ای و سیاهچاله‌های اَبَرپرجرم را در خاموش یا روشن‌سازی فازهای تابشی لایمن-آلفا بررسی کنیم. این رویکرد چندجانبه اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ چرخهٔ گاز بین داخل کهکشان و محیط میان‌کهکشانی فراهم میکند و به تقویت مدلهای تحول کهکشان کمک می‌نماید.
نتیجه‌گیری
با استفاده از تابشکنندههای لایمن-آلفا بهعنوان فانوس‌هایی در کیهان جوان، تیم تحت هدایت راتگرز یکی از جامع‌ترین تصاویر تجربی تا کنون از مکان‌های تمرکز مادهٔ تاریک در جهان اولیه را تولید کرده است. نقشه‌های کانتوری و اندازه‌گیری‌های خوشهبندی آنها فاز گذرای اما بحرانی‌ای را در تکامل کهکشانها آشکار می‌سازند و پایه‌های مشاهده‌ای محکمی برای مدلهای شبکهٔ کیهانی و رشد هاستل ایجاد می‌کنند. با نمونههای بزرگ‌تر ODIN و امکانات نسل بعدی، مطالعات مشابه روشن‌تر خواهند کرد که چگونه چارچوب نامرئی مادهٔ تاریک کهکشانهایی را که امروز می‌بینیم شکل داده است.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر