10 دقیقه
اندازه‌گیری‌های تازه از کهکشانهای رادیویی دوردست نشان میدهد که سامانهٔ خورشیدی ما ممکن است با سرعتی بسیار بیش از آنچه مدل استاندارد کیهانشناسی پیش‌بینی می‌کند، در فضا در حرکت باشد. تیمی از دانشگاه بیله‌فلد شمارش منابع رادیویی را بازتحلیل کردند و سیگنال جهت‌داری قوی‌ای یافتند که فرضیات دربارهٔ یکنواختی بزرگمقیاس عالم را به چالش می‌کشد.
تحلیل جدیدی از کهکشانهای رادیویی حاکی است که سامانهٔ خورشیدی ما سریع‌تر از انتظار در کیهان می‌تازد و این نتیجه برخی پیشبینیهای کلیدی مدل استاندارد کیهانشناسی را نقض می‌کند. Credit: Shutterstock
چگونه اخترفیزیک‌دانان حرکت کیهانی ما را اندازه‌گیری کردند؟
اندازه‌گیری حرکت سامانهٔ خورشیدی نسبت به چارچوب کیهانی به عدم‌تقارن‌های بسیار کوچک در توزیع آسمان وابسته است. وقتی ما در فضا حرکت می‌کنیم، توزیع منابع بسیار دور — مانند کهکشانهای رادیویی و کوارک‌ها — به‌طور ظریفی ناهمسان می‌شود: اندکی تعداد منابع در جهت حرکت بیشتر و در جهت پشتی کمتر دیده می‌شود. این نوع علامت جهت‌داری معمولاً «آنیزوتروپی دیپل» یا «دیپل» نامیده می‌شود و یک شاخص کلیدی برای تعیین سرعت و جهت حرکت ما نسبت به چارچوب دوردست کیهان است.
دو مؤلفه فیزیکی عمده باعث ایجاد دیپل در شمارش منابع می‌شوند: جلوآمد یا Doppler boosting که شدت تابش منابع را در جهت حرکت تغییر میدهد، و ابراسیون (aberration) که جای ظاهری منابع را مختصری جابه‌جا می‌کند. جمع این اثرات در شمارش منابع نقطه‌ایِ دوردست به یک ناهمسانی جهتدار منجر می‌شود که می‌توان آن را با آمار و نقشهبرداری آسمان استخراج کرد. برای تبدیل این آنیزوتروپی به سرعت، دانشمندان از فرضیه‌هایی دربارهٔ توزیع ذاتی تعداد و روشنایی منابع استفاده میکنند که خود مبتنی بر مدلهای فراوانی کهکشان و تکامل اخترفیزیکی است.
برای بررسی این اثر، لوکاس بدهِمه (Lukas Böhme) و همکارانش در بیله‌فلد از داده‌های LOFAR، آرایهٔ فرکانس پایین (LOw Frequency ARray)، همراه با دو ردیف رادیویی بزرگ دیگر استفاده کردند. طول موجهای رادیویی برای این کار ایده‌آل هستند، چون از میان غبار میانستارهای عبور میکنند و جمعیت‌هایی از کهکشانها را آشکار می‌سازند که در طول موجهای مرئی یا فروسرخ ممکن است پنهان بمانند؛ به‌علاوه، منابع رادیویی معمولاً از فعال‌ترین هسته‌های کهکشانی (AGN) و جت‌های رادیویی تشکیل شده‌اند که برای مطالعهٔ ساختار بزرگمقیاس کیهان مناسب‌اند.
دانشمند بیله‌فلدی، لوکاس بدهِمه، نویسندهٔ اصلی مطالعه، کنار تلسکوپ لاول در رصدخانهٔ رادیویی جودرل بنک در انگلستان.
تیم چه چیزی یافت؟
با به‌کارگیری روش شمارش تصحیح‌شده‌ای که منابع چندجزئی رادیویی را در نظر می‌گیرد، پژوهشگران تخمین‌های خطای قابل‌اطمینان‌تری به‌دست آوردند. بسیاری از منابع رادیویی شامل لوب‌ها یا اجزای جداگانه‌ای هستند که اگر به‌صورت مستقل شمرده شوند، می‌توانند به سوگیری در شمارش منجر شوند؛ اصلاح این مسأله برای حذف چنین سوگیری‌هایی ضروری است. بجای اینکه این روش حساس‌تر موجب کاهش سیگنال شود، نتیجهٔ دقیق‌تر یک دیپل بزرگ‌تر از انتظار را تأیید کرد: آنیزوتروپی مشاهدهشده در شمارش کهکشانهای رادیویی تقریباً 3.7 برابر قوی‌تر از مقدار پیش‌بینی‌شده براساس مدل استاندارد کیهانشناسی برآورد شد.
در سطح آماری، مجموعهٔ داده‌های ترکیب‌شده انحرافی بیش از پنج سیگما نشان دادند — آستانه‌ای مرسوم که نشاندهندهٔ احتمال بسیار کمِ وقوع ناشی از نوسان‌های تصادفی است. به‌عبارتی ساده‌تر، آسمان یک افزونگی جهت‌دارِ قابل‌توجه از منابع رادیویی دارد که تفسیر آن تحت مفروضات فعلی دربارهٔ همگنی کیهانی دشوار به‌نظر می‌رسد. اگر این نتیجه معادل سرعت تبدیل شود، مقدار به‌دست‌آمده نسبت به سرعتی که از دیپل پس‌زمینهٔ مایکروویو کیهانی (CMB) انتظار می‌رود چندین برابر بیشتر است؛ چنین تفاوتی میتواند نشانهٔ مشکلاتی در مفروضات مدل یا اثرات سیستماتیک پنهان باشد.
چرا این موضوع برای کیهانشناسی اهمیت دارد؟
مدل استاندارد کیهانشناسی (ΛCDM) بر این فرض استوار است که در مقیاس‌های خیلی بزرگ، عالم به‌طور آماری یکنواخت و همسان‌رو است (اصل کیهان‌شناختی). اگر حرکت اندازه‌گیری‌شدهٔ ما نسبت به کهکشانهای رادیویی دوردست واقعاً سه تا چهار برابر پیش‌بینی باشد، دو امکان کلی مطرح می‌شود: یا سامانهٔ خورشیدی ما به‌طور غیرعادی سریع حرکت می‌کند، یا توزیع منابع رادیویی دوردست خود به‌گونه‌ای نامتجانس است که مدلهای فعلی در نظر نگرفته‌اند.
دکتر دومینیک جی. شوارتز، هم‌نویسنده و کیهان‌شناس در دانشگاه بیله‌فلد، تأکید می‌کند که این نتیجه نیاز به بازنگری در مقدمات پایه‌ای را به دنبال دارد: «اگر سامانهٔ خورشیدی واقعاً با چنین سرعتی حرکت می‌کند، باید مفروضات بنیادین دربارهٔ ساختار بزرگمقیاس کیهان را مورد پرسش قرار دهیم. در غیر این صورت، ممکن است توزیع کهکشانهای رادیویی آن‌گونه که تصور می‌کردیم همگن نباشد.» این نوع بازنگری میتواند شامل تغییر در فرضیه‌های مربوط به توزیع اولیهٔ ماده، نیروی گرانش در مقیاس‌های بزرگ، یا فرایندهای تشکیل و خوشهبندی کهکشانها باشد.
در گذشته نیز ناهنجاری‌هایی در کاتالوگ‌های متفاوت مشاهده شده است؛ برای مثال، مطالعه‌هایی در طول موج فروسرخ روی کوآزارها ناسازگاری‌های جهتدار مشابهی را نشان داده‌اند که اشاره می‌کند اثر ممکن است محدود به یک ابزار یا باند فرکانسی نباشد. این تطابق بین باندهای مختلف (رادیو، فروسرخ و اندازه‌گیری‌های پس‌زمینهٔ مایکروویو) قوت زیادی به ادعای واقعی‌بودن دیپل میدهد و احتمال اینکه نتیجه صرفاً حاصل یک خطای اندازه‌گیری باشد را کاهش میدهد.
روش‌ها و پیشرفت‌های فنی
این مطالعه نقشه‌های عمیق فرکانس پایین LOFAR را با دو ردیف رادیویی مکمل ترکیب کرد تا پوشش آسمان و قدرت آماری را افزایش دهد. افزایش میزان پوشش آسمان و عمق حسگری باعث شد نمونهٔ منابع بسیار بزرگ‌تر و متنوع‌تری فراهم شود، که برای تخمین‌های دقیق دیپل حیاتی است. از جمله نوآوری‌های روش‌شناختی در این کار، برخورد صریح با منابعی بود که از چند مؤلفه رادیویی تشکیل شده‌اند؛ شمارش درست هر منبع پیچیده از ایجاد سوگیری جلوگیری می‌کند و در نتیجه بازه‌های خطا را بزرگ‌تر اما واقع‌بینانه‌تر میسازد.
از دید آماری، پژوهشگران سیگنال را هم از منظر سرعتِ متناظر و هم از منظر معنی‌داری آماری کمّی کردند. تبدیل آماری آنیزوتروپی به سرعت معمولاً مستلزم مدل‌سازی رابطه بین شیب شمارش منابع نسبت به فلکس (dN/dS) و اثر Doppler است. در این مطالعه، محققان تلاش کردند با برآورد پارامترهای فلکس و تابع شمارش منبع، تأثیراتی مانند شکست‌های کاتالوگ، کالیبراسیون فلوکس و ماسکهای آسمانی را در نظر بگیرند و حساسیت نتایج را نسبت به این انتخاب‌ها بررسی کنند.
یک افزونگی پنج سیگما به این معناست که احتمال اینکه این مشاهده صرفاً از نویز اتفاقی پدید آمده باشد بسیار کم است؛ بنابراین جامعهٔ علمی به‌جای پذیرش سریع نتایج، توجه خود را به منابع سیستماتیک احتمالی معطوف کرده است: انتخاب نمونه، عدم‌قرینهٔ پوشش آسمان، خطاهای کالیبراسیون فلوکس در پهنهٔ فرکانسی، و آلودگی از منابع نزدیک‌تر یا اضمحلال اجزای چندبخشی از جملهٔ عوامل مورد بررسی‌اند. همچنین تحلیل‌های سنتزی برای سنجش اثر خوشهبندی واقعی کهکشانهای رادیویی (clustering) و واریانس کیهانی انجام شد تا بررسی گردد آیا خوشهبندی محلی میتواند بخشی از سیگنال را توضیح دهد یا خیر.
پیامدها و گام‌های بعدی در کشف
اگر این یافته تأیید شود، میتواند منجر به بازنگری در مدلهای شکلگیری ساختار بزرگمقیاس یا نشاندهندهٔ خوشه‌بندی‌های نا‌شناختهٔ کهکشانهای رادیویی شود. چند مسیر تحقیقاتی محتمل وجود دارد که پژوهشگران باید دنبال کنند:
- گسترش پوشش آسمان و بهره‌گیری از رصدهای مستقل: بررسی مستقل با تلسکوپهای رادیویی دیگر و رصدهای اتیسم مانند SKA، MeerKAT یا ASKAP میتواند هرگونه وابستگی به ابزار را بررسی کند.
- مقایسه با دیپل پس‌زمینهٔ مایکروویو (CMB): مقایسهٔ جهت و اندازهٔ دیپل استخراج‌شده از شمارش منابع رادیویی با دیپل CMB که بر مبنای ماهواره‌هایی مانند COBE، WMAP و Planck اندازه‌گیری شده، یک آزمون مهم است تا مشخص شود اختلاف از حرکت ما ناشی است یا از توزیع منابع.
- بررسی فرکانس‌ها و طول موجهای مختلف: چون اثر در باندهای مختلف نیز دیده شده است، بررسیهای چندباندی (فرکانس پایین، فرکانس بالا، فروسرخ و مایکروویو) میتواند کمک کند تا منشأ فیزیکی سیگنال روشن‌تر شود.
- تحلیل سیستماتیکها و شبیه‌سازی‌ها: ساخت شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو با مدلهای مختلف ساختار بزرگمقیاس و شناسایی منابع میتواند به تفکیک تاثیرات سیستماتیک از سیگنال واقعی کمک کند.
بازبینی و تأیید متقابل با کاتالوگ‌های فروسرخ و داده‌های پس‌زمینهٔ مایکروویو برای تعیین اینکه آیا اختلاف از حرکت ما ناشی است یا از توزیع منابع، حیاتی خواهد بود. اگر منشاءِ اختلاف به توزیع منابع برگردد، ممکن است لازم شود مدلهای خوشهبندی کهکشانهای رادیویی یا فرضیات مربوط به همگنی بزرگمقیاس بازنگری شوند؛ این بازنگری‌ها می‌توانند پیامدهایی برای فهم ما از مادهٔ تاریک، انرژی تاریک یا مدلهای اولیهٔ نوسانات چگالی داشته باشند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر النا مارتینز، اخترفیزیک‌دانی که در این مطالعه مشارکت نداشت، می‌گوید: «این نتیجه تحریک‌کننده است چون سیگنال عجیبی را در چند طول موج تکرار می‌کند. یا ما یک سوگیری رصدی ظریف و مشترک در چندین ردیف داریم، یا کیهان دارد چیز جدیدی دربارهٔ توزیع ماده در مقیاس‌های بسیار بزرگ به ما می‌گوید. در هر دو صورت، برای کیهانشناسی رصدی هیجان‌انگیز است.»
کارهای پیگیری باید سیستماتیک‌های ابزار را آزمایش کنند، شناسایی منابع را پالایش کنند و از مجموعه‌داده‌های مستقل بهره بگیرند. این کشف نمونهٔ خوبی از این است که چگونه ردیفهای رادیویی بهتر و آمار دقیق‌تر می‌توانند پنجره‌های جدیدی را به سؤالات بنیادی کیهانشناسی باز کنند؛ سؤالاتی که شامل چگونگی توزیع ماده، سرعت‌های مرجع کیهانی و اعتبار اصل کیهان‌شناختی می‌شوند.
در نهایت، تلفیق نتایج حاصل از LOFAR و ردیفهای دیگر با داده‌های آیندهٔ تلسکوپهای نسل جدید و تحلیل‌های بین‌باندی احتمالاً کلید پاسخ به این تحلیل خواهد بود. تحقیقگران باید نه‌تنها به گسترش نمونه و بهبود کنترل سیستماتیکها بپردازند، بلکه مدلهای نظری را نیز تطبیق دهند تا در صورت تداوم اختلاف، تبیینی فیزیکی برای آن فراهم آورند.
منبع: scitechdaily
نظرات
داده‌پالس
واقعاً؟! یعنی ما سه برابر سریع‌تر از چیزی که فکر می‌کردیم حرکت می‌کنیم؟ عجیب و خوش هیجان...
ارسال نظر