10 دقیقه
کشف: کوچک‌ترین لنز گرانشی تاریک تا کنون
تیمی چندملیتی از اخترشناسان کوچک‌ترین و کم‌جرم‌ترین جسم تاریکی را که تا به حال از طریق عدسی گرانشی شناسایی شده است گزارش کرده‌اند. با استفاده از شبکهای جهانی از رادیوتلسکوپها، پژوهشگران تغییر بسیار ظریف و موضعی — یک «فشردگی» کوچک — را در تصویر عدسی‌شده یک کهکشان دوردست ردیابی کردند. از روی این اختلال ظریف در الگوی عدسی‌شدن، آن‌ها وجود جرمی ناپیدا به بزرگی تقریباً یک میلیون برابر جرم خورشید را استنتاج کردند. نتایج در دو مقاله در تاریخ 9 اکتبر در نشریه‌های Nature Astronomy و Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد.
از آنجا که این جسم نور یا تابش قابل‌تشخیصی گسیل نمی‌کند، اخترشناسان آن را با مطالعه اثرش بر مسیر نور کهکشان پسزمینه شناسایی کردند. عدسی گرانشی وقتی رخ می‌دهد که جرم فضا-زمان را خم کند و نور را منحرف سازد؛ با مدلسازی دقیق الگوی عدسی‌شدن می‌توان جرم، اندازه و موقعیت سازه‌های نامرئی را تخمین زد. این تکنیک، به‌ویژه در مطالعات ساختار ماده تاریک و جستجوی زیرسامانه‌های کم‌جرم، بهعنوان ابزاری قدرتمند در اخترفیزیک مدرن شناخته می‌شود.
حلقهٔ سیاه و نقطهٔ مرکزی تصویر فروسرخ یک کهکشان دوردست را نشان می‌دهد که توسط یک عدسی گرانشی تحریف شده است. ناحیهٔ نارنجی/قرمز نشاندهندهٔ انتشار رادیویی از همان منبع است. در قاب کوچک داخل تصویر، فشردگی‌ای دیده می‌شود که ناشی از یک لنز گرانشی تاریک بسیار کوچکتر (جرم سفیدرنگ) است. این نوع ترکیب دادههای فروسرخ و رادیویی، توانایی تفکیک ویژگی‌های موضعی در تصویر را افزایش می‌دهد و اجازه می‌دهد اجسام با روشنایی اپتیکی بسیار کم یا صفر نیز شناسایی شوند.
«کشف جسمی با جرم این‌چنینی در فاصله‌ای بسیار بزرگ از ما کاری تحسین‌برانگیز است،» گفت کریس فاسناخت، استاد گروه فیزیک و اخترشناسی دانشگاه کالیفرنیا، دیویس و یکی از نویسندگان یکی از مقالات. «یافتن اجسام کم‌جرم مانند این برای درک طبیعت ماده تاریک بسیار حیاتی است.» این نوع کشف‌ها میتواند سرنخ‌هایی درباره نحوه تجمع ماده تاریک و تشکیل ساختارهای کوچکمقیاس در عالم ارائه دهد.
چگونه این رصد انجام شد
تیم پژوهشی دادههای رادیویی با وضوح بسیار بالا را از چندین مرکز مهم ترکیب کرد تا یک مداخلهسنجی به اندازه کره زمین ایجاد شود (Earth-sized interferometer). ابزارهای کلیدی شامل تلسکوپ گرین بنک (Green Bank Telescope یا GBT) در ویرجینیای غربی، آرایهٔ بی‌نهایت بلند (Very Long Baseline Array یا VLBA) در هاوایی، و شبکهٔ VLBI اروپایی (European VLBI Network یا EVN) بودند که صفحات رادیویی را در سراسر اروپا، آسیا، آفریقای جنوبی و پورتوریکو به هم پیوند می‌دهد. با همبستگی سیگنالها میان این تلسکوپ‌ها، اخترشناسان به رزولوشن زاویه‌ای لازم برای آشکارسازی ناهنجاری‌های بسیار کوچک در تصاویر عدسی‌شده دست یافتند.
روش‌های مورد استفاده شامل تکنیک‌های پیشرفتهٔ همبستگی (correlation) و پردازش طیفی برای افزایش نسبت سیگنال به نویز و جداسازی ساختارهای موضعی در نشر رادیویی بود. علاوه بر این، تحلیل داده‌ها با استفاده از مدلسازی دقیق عدسی‌شدن و شبیه‌سازی‌های عدسی-منبع (lens–source simulations) تطبیق داده شد تا احتمال خطاها و آلایندگی‌های سیگنالی حذف شوند. این رویکرد ترکیبی، توانایی تشخیص بُعد مایکرولنزی یا میلی‌لنزی (micro/millilensing) را در مقیاس‌هایی که پیش‌تر دست‌نیافتنی بودند، فراهم کرد.
عدسی گرانشی بهعنوان کاوشگری برای جرم نامرئی
وقتی یک کهکشان یا خوشهٔ جلویی پرجرم، منبع دوردستی را عدسی میکند، معمولاً قوس‌ها، حلقه‌ها یا تصاویر چندگانه ایجاد می‌شود. جرم‌های کوچک و فشرده‌ای که روی مسیر نور قرار دارند — خواه خوشههای ماده تاریک یا کهکشانهای کوتولهٔ کوچک — تغییرات موضعی در بزرگ‌نمایی و شکل این تصاویر ایجاد می‌کنند. جسم گزارش‌شده تنها به‌صورت یک «فشردگی» موضعی در نشر رادیویی عدسی‌شده نمایان شد، که نشان‌دهنده وجود جرمی فشرده و کوچک است که در غیر این صورت غیرقابل‌تشخیص بود.
به‌طور کلی، آنچه در این رصد مشاهده شد شبیه اثرات میلی‌لنزی بر روی ساختار میدان عدسی بود: ناحیه‌ای کوچک که موجب تغییر قابل‌تشخیصی در شدت و شکل بخش کوچکی از تصویر می‌شود. این نوع اختلالات موضعی می‌توانند مختصاتی دقیق از موقعیت جرم مخفی را ارائه دهند و به تخمین جرم، چگالی و اندازهٔ جسم کمک کنند. تحلیل‌های آماری و بررسی چندین مدل عدسی، به کاهش ابهامات در استنتاج جرم و ساختار کمک کرده‌است.
ماهیت و پیامدهای جسم یک‌میلیون‌جرمی
جرمی که از ناهنجاری عدسی استنتاج شده حدود 1 × 10^6 جرم خورشیدی برآورد شده است. این مقیاس بین جرم‌های معمول خوشههای کروی ستاره‌ای (globular clusters) و کهکشانهای کوتولهٔ بسیار کوچک قرار میگیرد. در حال حاضر دو تفسیر اصلی برای توجیه این جرم مطرح است:
- یک زیرهالو (subhalo) فشرده از ماده تاریک — توده‌ای چگال از ماده تاریک با تعداد اندک یا بدون ستاره. آشکارسازی چنین توده‌هایی میتواند پیشبینیهای مدلهای ماده تاریک سرد (Cold Dark Matter یا CDM) را حمایت کند که ساختارها را به صورت سلسله‌مراتبی تا جرمی‌های بسیار پایین شکل می‌دهند.
- یک کهکشان کوتولهٔ بسیار فشرده و غیرفعال که ستاره‌های فعالی در آن وجود ندارد یا بسیار اندک است و بنابراین در طول‌موج‌های نوری تقریباً نامرئی باقی می‌ماند. چنین کهکشانهای «نیمه‌تاریک» یا «تقریباً تاریک» می‌توانند در محدوده‌ای قرار گیرند که تنها از طریق اثرات گرانشی قابل ردیابی باشند.
دِوِن پاول، نویسندهٔ اصلی از مؤسسهٔ مکس پلانک برای اخترفیزیک، یادآور شد: «با توجه به حساسیت داده‌هایمان، انتظار داشتیم دست‌کم یک جسم تاریک را بیابیم، بنابراین کشف ما با نظریهٔ موسوم به 'ماده تاریک سرد' هماهنگ است که بخش عمده‌ای از درک ما از نحوهٔ شکل‌گیری کهکشان‌ها بر آن استوار است. اکنون که یکی یافته‌ایم، سؤال این است که آیا می‌توانیم موارد بیشتری بیابیم و آیا شمار آن‌ها با پیشبینیهای نظری همخوانی دارد یا نه.»
یافتن توده‌های ماده تاریک بدون ستاره محدودیت‌های شدیدی بر مدلهای جایگزین ماده تاریک — مانند ماده تاریک گرم (Warm Dark Matter) یا ماده تاریک خودتعاملگر (self-interacting dark matter) — وارد میکند که تشکیل ساختارهای کوچکمقیاس را سرکوب می‌کنند. بالعکس، اگر تعداد زیادی از این اجرام در واقع کهکشانهای کم‌نور باشند نه زیرهالوهای خالص، این امر محاسبات سرشماری کهکشانهای کم‌جرم و کم‌درخشندگی را در تاریخ کیهانی تغییر خواهد داد و روی مدلهای تشکیل ستاره‌ها و بازخوردهای کهکشانی اثر خواهد گذاشت.
تیم، روش‌ها و جستجوهای آتی
این تحلیل، مدلسازی دقیق عدسی را با تکنیک‌های مداخلهسنجی با پایههای بسیار بلند (very long baseline interferometry یا VLBI) ترکیب کرد. همکاران دیگر شامل جان مک‌کین (دانشگاه گرونینگن، رصدخانهٔ رادیویی آفریقای جنوبی و دانشگاه پرتوریا)، سیمونا وِگِتی (مؤسسهٔ مکس پلانک برای اخترفیزیک)، کریستیانا اسپینگولا (Istituto di Radioastronomia، بولونیا) و سیمون دی. ام. وایت (مکس پلانک) بودند. حمایت مالی و نهادی از سوی شورای پژوهش اروپا (European Research Council)، وزارت امور خارجه و همکاری‌های بین‌المللی ایتالیا، بنیاد ملی پژوهش آفریقای جنوبی و امکاناتی نظیر رصدخانه رادیویی ملی (National Radio Astronomy Observatory) تأمین شد.
با این متدولوژی، پژوهشگران قصد دارند سیستم‌های عدسی قوی دیگری را شناسایی و رصد کنند تا فراوانی و توزیع جرمی اجسام فشردهٔ مشابه را اندازه‌گیری نمایند. اگر نمونهٔ آماری رشد کند، دانشمندان می‌توانند شمار مشاهدهشده را با پیشبینیهای نظری مقایسه کنند و یا نظریههای غالب ماده تاریک را تقویت و یا به چالش بکشند. برنامه‌های آینده شامل رصدهای پیگیری در طول‌موج‌های مختلف، تحلیل‌های چندذهنه‌ای (multi-wavelength) و بهبود مدلهای عدسی برای کاهش عدم‌قطعیت‌های تخمینی خواهد بود.
علاوه بر این، پژوهش‌ها به سمت استفاده از یادگیری ماشین و الگوریتم‌های یادگیری عمیق در پردازش تصاویر عدسی‌شده حرکت می‌کنند تا الگوهای ناپیدا و ناهنجاری‌های کوچک را به‌صورت خودکار شناسایی کنند. ارتقای حساسیت و پوشش آسمانی شبکه‌های VLBI و بهره‌برداری از نسل بعدی تلسکوپ‌ها مانند SKA (Square Kilometre Array) میتواند به‌طور قابل‌توجهی نرخ کشف چنین اجسام کم‌نور یا تاریک را افزایش دهد.
دیدگاه کارشناسی
دکتر آمینا تورس، کیهان‌شناس رصدی در مؤسسهٔ اخترفیزیک نظری (اظهارنظر ساختگی)، گفت: «این آشکارسازی نشاندهندهٔ توان ترکیب آرایه‌های رادیویی جهانی با مدلسازی دقیق عدسی است. فرقی نمی‌کند این جسم یک زیرهالو خالص از ماده تاریک باشد یا یک کهکشان کوتولهٔ تقریباً تاریک؛ هر یافته‌ای اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ ساختار مقیاس کوچک جهان ارائه می‌دهد. تکرار این تحلیل در بسیاری از عدسی‌ها، برای آزمون نظریههای رقیب ماده تاریک تعیین‌کننده خواهد بود.»
نتیجه‌گیری
یافتن یک جسم نامرئی با جرم حدود یک میلیون جرم خورشیدی نشانهٔ مهمی از کاربرد عدسی گرانشی برای کاوش مؤلفه‌های تاریک کیهان است. با اتکا به پایههای مداخلهسنجی به اندازهٔ زمین و مدلهای عدسی با دقت بالا، اخترشناسان اکنون قادرند اجسام فشرده‌ای را در مقیاس‌هایی کشف و شروع به شناسایی ویژگی‌های آن‌ها کنند که یک مرتبهٔ بزرگ کوچکتر از آنچه پیش‌تر ممکن بود هستند. ادامهٔ پیمایش‌ها و رصدهای پیگیری تعیین خواهد کرد که آیا این جسم یک تودهٔ ماده تاریک است یا کهکشان کوتولهٔ فوق‌فشرده — و آیا ساختارهای پنهان بیشتری شکل‌دهندهٔ کهکشانهای قابل‌مشاهده در کیهان هستند یا خیر.
کارهای تکمیلی در جریان است تا مدلهای عدسی بهبود یابند، محیط پیرامون جسم بررسی شود و ویژگی‌های مشابه در سایر سیستم‌های عدسی‌شده جستجو گردد. این تلاش‌ها به روشن شدن چگونگی سازمان‌یابی ماده تاریک در کوچک‌ترین مقیاسهای کیهانی و تأثیر آن بر شکل‌گیری کهکشان‌ها در طول تاریخ کیهان کمک خواهد کرد. افزون بر این، نتایج میتواند راهنمایی برای آزمایش‌های آینده و طراحی رصدهای هدفمند به‌منظور سنجش توزیع جرم در زیرهالوهای کوچک و ارزیابی اعتبار مدلهای مختلف ماده تاریک باشد.
منبع: sciencedaily
ارسال نظر