9 دقیقه
یک جرم فشرده و نامرئی به اندازه تقریبی یک میلیون برابر جرم خورشید درون کهکشانی کشف شده است که نور آن 7.3 میلیارد سال را طی کرده تا به زمین برسد. اخترشناسان این «کلوخ» مرموز را نه به‌صورت مستقیم، بلکه با نگاشت نحوه خمیده شدن نور کهکشان بسیار دورتر پشت آن پیدا کردند — نمونه‌ای کلاسیک از عدسی گرانشی که ساختار نامرئی را آشکار می‌سازد.
چگونه گرانش یک جسم نامرئی را نشان داد
ماده تاریک ستون نامرئی جهان است: نوری از خود ساطع نمیکند و عمدتاً از طریق گرانش با بقیه تعامل دارد. همان گرانش میتواند با تحریف نور کهکشان‌های پس‌زمینه، وجود خود را آشکار کند. وقتی یک کهکشان جبهه‌رو جرم زیادی داشته باشد و فضا-زمان را خم کند، نور منبع دوردست کشیده، بزرگ‌تر و اغلب به‌صورت کمان‌ها، حلقه‌ها یا تصویرهای چندگانه دیده می‌شود — پدیده‌ای که به آن عدسی گرانشی می‌گویند و ابزاری قوی برای مطالعه توزیع جرم در کیهان است.
نقشه‌ای که پدیدهٔ عدسی گرانشی را نشان می‌دهد
در سامانه عدسی موسوم به JVAS B1938+666، پژوهشگران یک فرو رفتگی موضعی و ظریف در طول یکی از کمان‌های عدسی مشاهده کردند: یک فرورفتگی باریک که با توزیع صاف جرم کهکشان جلویی تطابق نداشت. این ابهام نشان‌دهندهٔ یک توده متراکم و فشرده بود — چیزی کوچک در مقیاس کیهانی اما به اندازهٔ کافی چگال تا اثر گرانشی قابل‌توجهی بگذارد و رد پایی آشکار در الگوی نورِ عدسی برجای بگذارد. تحلیل دقیق تصویرها این اثر محلی را به‌صورت یک ناهنجاری واقعی و نه نویز یا خطای مشاهده‌ای نشان داد و بنابراین به عنوان نشانه‌ای از یک زیرساختمان جرم در لنز شناخته شد.
کمپین رصدی: ابزارها و روش
<pیافتن چنین اثر گرانشی ریز در فاصله‌های کیهانی نیاز به هماهنگی چندین رصدخانه رادیویی با دقت بالا داشت. تیمی به سرپرستی اخترفیزیک‌دان Devon Powell در مؤسسه ماکس پلانک برای اخترفیزیک داده‌هایی از تلسکوپ گرین بنک (GBT)، آرایهٔ پایهٔ بسیار بلند (VLBA) و شبکهٔ VLBI اروپایی (EVN) را ترکیب کردند و این مشاهدات رادیویی با پیگیریهای اپتیکی از رصدخانهٔ Keck تکمیل شد. ترکیب مشاهدات چندباندی — رادیو و اپتیک — به افزایش حساسیت به آشکارسازی اختلالات جرم کم‌جرم در پیش‌زمینه کمک کرد و امکان جداسازی اثرات سیستماتیک را فراهم آورد.
سامانه لنز JVAS B1938+666، با درون‌نگاره‌ای که موقعیت کلوخ را نشان می‌دهد. پیکسل‌های سفید شکل تقریبی جرم را نمایان می‌کنند. (Keck/EVN/GBT/VLBA)
تیم با استفاده از روش‌های تصویربرداری گرانشی — تکنیک‌هایی که الگوی نورِ عدسی‌شده را معکوس می‌کنند تا توزیع جرم در لنز جلویی بازسازی شود — موقعیت دقیق جرمِ مختل‌کننده را با اطمینان فوق‌العاده‌ای تعیین کرد. اهمیت آماری آشکارسازی بسیار بالا گزارش شده است: حدود 26 سیگما؛ به عبارت دیگر احتمال اینکه این سیگنال ناشی از یک نوسان تصادفی باشد عملاً به صفر نزدیک است. برای رسیدن به این سطح اطمینان، محققان از مدل‌سازی‌های پیچیدهٔ لنز، تحلیل خطاها و آزمایش‌های آماری متعدد بهره بردند تا مطمئن شوند ویژگی مشاهده‌شده واقعی و مرتبط با توزیع جرم است.
این «کلوخ» دقیقاً چه چیزی میتواند باشد؟
جرم استنتاج‌شدهٔ این جسم تقریباً معادل یک میلیون برابر جرم خورشید است. این مقدار در مقایسه با کهکشان‌های معمولی بسیار کوچک محسوب می‌شود، اما در قیاس با ستاره‌های منفرد بسیار بزرگ است. نکتهٔ اساسی این است که این ساختار در باندهای نوری، رادیویی یا فروسرخ نور قابلتشخیصی از خود ساطع نمیکند؛ بنابراین دانشمندان دو توضیح اصلی را مطرح کرده‌اند:
- یک تودهٔ فشردهٔ مادهٔ تاریک — یک زیرهالهٔ چگال بدون ستاره — که با پیشبینیهای مدلهای مادهٔ تاریک سرد (Cold Dark Matter) سازگار است و وجود تعداد زیادی زیرساختار کم‌جرم را در پیرامون کهکشان‌ها پیش‌بینی میکند.
- یک کهکشان کوتولهٔ فوقضعیف که جمعیت ستاره‌ای آن به‌قدری پراکنده یا کمنور است که ابزارهای فعلی قادر به آشکارسازی مستقیم آن نیستند.
تفکیک میان این گزینه‌ها به مشاهدات عمیقتر و جست‌وجوی شمار بیشتری از این اجسام نیاز دارد. اگر تعداد قابل‌توجهی از توده‌های تاریک با جرم‌های میلیونخورشیدی پیدا شوند، این یافته‌ها نظریه‌های مادهٔ تاریک سرد را تقویت خواهد کرد؛ اما اگر چنین زیرساختارهایی نادر باشند، ممکن است نیاز به اصلاح یا بازنگری در مدل‌ها احساس شود. علاوه بر این، تفاوت در پراکندگی و فراوانی این اجسام میتواند سرنخ‌هایی دربارهٔ خواص ذاتی ذرات مادهٔ تاریک، از جمله جرم ذره و ویژگی‌های تعامل آن ارائه دهد.
چرا این آشکارسازی برای کیهان‌شناسی مهم است
کشف یک جسم میلیون‌جرم‌خورشیدی از طریق تاثیر گرانشیاش در فاصله‌ای معادل میلیاردها سال نوری یک نقطه عطف است. این نتیجه تصویربرداری گرانشی را به حوزهٔ جرم‌های پایین‌تر فراتر از کیهان محلی سوق می‌دهد و مسیر تازه‌ای برای آزمون ساختار مقیاس کوچک مادهٔ تاریک در طول زمان کیهانی می‌گشاید. درک توزیع زیرهاله‌ها در زمان‌های متفاوت و مکان‌های مختلف کیهانی برای آزمایش پیشبینیهای مدلهای ساختاردهی و نیز برای محدود کردن خواص ذاتی مادهٔ تاریک حیاتی است.
پاول و همکارانش خاطرنشان می‌کنند که این کم‌ترین جرم شناخته‌شده است که تا کنون با اثر گرانشی در فاصلهٔ کیهانی شناسایی شده — دو مرتبهٔ بزرگی کمتر از رکوردهای پیشین — و این موضوع نشان می‌دهد که مشاهدات مدرن و روش‌های مدل‌سازی قادرند حوزهٔ جرم میلیونخورشیدی را در کهکشان‌های دوردست پایش کنند. این قابلیتِ مشاهداتی اجازه می‌دهد تا نقشه‌برداری آماری از توزیع توده‌های کم‌جرم انجام شود و قیاس میان مشاهدات و پیشبینیهای نظری با دقت بالاتری صورت گیرد.
نتیجهٔ این کشف مستقیماً به فهم کلی از شکلگیری کهکشان‌ها نیز می‌پردازد. مدلهای مادهٔ تاریک سرد یک سلسله‌مراتب از توده‌های تاریک پیش‌بینی می‌کنند — تعداد زیادی زیرهالهٔ کم‌جرم که درون هاله‌های بزرگ‌تر جای گرفته‌اند. وجود یا فقدان تعداد پیش‌بینی‌شدهٔ این زیرهاله‌ها روی مسائل مختلفی اثر می‌گذارد، از جمله فرآیندهای تجمع ستاره، همگرایی گرانشی قوی و توزیع سرعت کهکشان‌ها؛ بنابراین یافتن یا نیافتن فراوانی مورد انتظار توده‌های کوچک میتواند به اصلاح یا تایید مدلهای ذرات بنیادی مادهٔ تاریک و نظریه‌های شکلگیری ساختارها کمک کند.
گام‌های بعدی: پیگیری و پیمایش‌ها
محققان قصد دارند JVAS B1938+666 را با حساسیت و وضوح بالاتری دوباره رصد کنند و همین روش‌های تصویربرداری گرانشی را روی سایر سامانه‌های لنز قوی نیز اعمال کنند. پیمایش‌های گسترده و عمیق با ابزارهای نسل بعدی — مانند آرایهٔ کیلومتر مربعی (Square Kilometre Array، SKA) در حوزهٔ رادیویی و رصدخانهٔ ورا سی روبین (Vera C. Rubin Observatory) در حوزهٔ نوری — نمونهٔ لنزها را افزایش خواهند داد و شانس شناسایی اختلال‌گرهای کم‌جرم را به‌طور قابل‌توجهی بالا می‌برند.
اگر ده‌ها یا صدها تودهٔ مشابه فهرست شوند، ستاره‌شناسان دارای قدرت آماری کافی خواهند بود تا فراوانی مشاهده‌شده را با پیشبینیهای نظری مقایسه کنند. این مقایسه میتواند مدل استاندارد مادهٔ تاریک سرد را تأیید کند یا به سمت فیزیک جایگزینی از مادهٔ تاریک اشاره کند که ساختار را در مقیاس‌های کوچک‌تر هموار می‌سازد. به‌طور خاص، مشاهدات آماری دربارهٔ توزیع جرم، مقیاس‌های برش (cutoff scales) و فراوانی زیرهاله‌ها میتواند محدودیتهای محکمی بر پارامترهای نظریه‌های ذره‌ای مادهٔ تاریک اعمال کند.
دیدگاه کارشناسان
یک متخصص عدسی گرانشی، دکتر Lena Ortiz، می‌گوید: «کشف یک کلوخ تاریک میلیون‌جرم‌خورشیدی در این فاصله همانند یافتن یک سنگ‌ریزه در دامنهٔ یک کوه با استفاده از موجی است که روی یک دریاچهٔ دوردست ایجاد میکند.» او اشاره میکند که این کشف نشان‌دهندهٔ بلوغ ابزارهای تصویربرداری ما است؛ با نمونههای لنز بزرگ‌تر می‌توان شروع به نقشه‌برداری با وضوح واقعی از چشم‌انداز مادهٔ تاریک کرد و محدودیت‌ها روی ماهیت مادهٔ تاریک را تیزتر ساخت.
فراتر از پیامدهای مستقیم برای مادهٔ تاریک، این کشف توان عدسی گرانشی را به‌عنوان یک تلسکوپ طبیعی تأکید میکند. تحلیل هوشمند نورِ تحریف‌شده میتواند ساختارهای نامرئی را آشکار سازد و رصدهای آینده را هدایت کند تا شکاف میان کیهان‌شناسی و فیزیک ذرات پر شود. ترکیب دادههای چندباندی، مدل‌سازی دقیق لنز، و توسعهٔ روش‌های آماری جدید نقاط قوتی هستند که این حوزه را در سال‌های آتی تبدیل به رشته‌ای مرکزی در پژوهش مادهٔ تاریک و شکلگیری ساختارها خواهد کرد.
علاوه بر آن، این نوع مطالعات میتواند به پاسخ دادن به سوالات کلیدی کمک کند: آیا مادهٔ تاریک بی‌تعامل یا کم‌تعامل است؟ آیا ذرات مادهٔ تاریک خواصی دارند که از فروپاشی زیرهاله‌ها جلوگیری میکند؟ و سرانجام، چگونه فرآیندهای کهکشانی مانند بادهای ستاره‌ای و بازخورد فعال هستهٔ کهکشانی بر بقا یا نابودی زیرهاله‌ها اثر می‌گذارند؟ پاسخ به این سوالات نیازمند ترکیب مشاهداتِ عدسی‌های قوی، شبیه‌سازی‌های عددی با رزولوشن بالا و مدلهای فیزیکی ذرات است.
منبع: sciencealert
ارسال نظر