مشاهدات هابل نقص شناخت کنونی ما از ماده‌ی تاریک را نشان می‌دهد
رصدهای تلسکوپ فضایی هابل نشان می‌دهد که هنوز به شناخت دقیقی از ماده‌ی تاریک نرسیده‌ایم و ممکن است در ارزیابی این ماده‌ی عجیب چیزی را فراموش کرده باشیم.
ستاره‌شناسان با بررسی داده‌های هابل، اختلافاتی را بین مدل‌های نظری چگونگی توزیع ماده‌ی تاریک در خوشه‌های کهکشانی و رصدهای انجام شده کشف کرده‌اند.
می‌دانیم که ماده‌ی تاریک نور را تابش یا جذب نمی‌کند و بازتاب هم نمی‌دهد. حضور آن، تنها از طریق اثر گرانشی با ماده‌ی مرئی در فضا شناخته می‌شود. به این ترتیب یکی از روش‌هایی که اخترشناسان برای تشخیص ماده‌ی تاریک استفاده می‌کنند، اندازه‌گیری چگونگی اثر گرانش آن بر تحریک فضا است که با نام لنز گرانشی شناخته می‌شود.
پژوهشگران دریافتند که غلظت اندکی از ماده‌ی تاریک در خوشه‌های کهکشانی، اثری گرانشی ایجاد می‌کند که ۱۰ برابر بیش از حد انتظار است. این شواهد بر اساس رصدهای دقیق و بی‌سابقه‌ی چندین خوشه‌ی کهکشانی توسط تلسکوپ فضایی هابل و تلسکوپ بسیار بزرگ رصدخانه‌ی جنوبی اروپا (VLT) در شیلی به دست آمده است.
خوشه‌های کهکشانی، عظیم‌ترین ساختارهای کیهان هستند که از کهکشان‌های تک تشکیل شده‌اند و بزرگترین مخازن ماده‌ی تاریک به شمار می‌روند. نه تنها این کهکشان‌های تک به دلیل اثر گرانشی ماده‌ی تاریک کنار هم جای گرفته‌ند، بلکه خودشان هم مملو از ماده‌ی تاریک هستند. به این ترتیب، ماده‌ی تاریک در خوشه‌ها در دو مقیاس بزرگ و کوچک توزیع می‌شود.
«ماسیمو منگتی» (Massimo Meneghetti) از مؤسسه‌ی ملی اخترفیزیک (INAF) که سرپرست مطالعه‌ی مرتبط است، در این زمینه گفت: «خوشه‌های کهکشانی آزمایشگاه‌های ایدئالی برای درک این موضوع هستند که آیا شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای برای استنباط ما از ماده‌ی تاریک و برهم‌کنش آن با ماده‌ی مرئی قابل اتکا است یا خیر.»
این پژوهشگر «رصدخانه‌ی علوم فضا و اخترفیزیک بولونیا» در ایتالیا افزود: «ما در این مطالعه آزمایش‌های دقیق بسیاری را برای مقایسه‌ی شبیه‌سازی‌ها و داده‌های رصدی انجام دادیم و باز هم شاهد عدم تطابق بودیم. یک منشأ این اختلاف می‌تواند این باشد که برخی مفاهیم کلیدی فیزیک را در شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای دخالت نداده باشیم.»
«پریاموادا ناتاراجان» (Priyamvada Natarajan) هم از دانشگاه ییل در کانتیکت که یکی از نظریه‌پردازان ارشد تیم پژوهشی است، خاطرنشان کرد: «یک ویژگی جهان واقعی وجود دارد که آن را به‌سادگی در مدل‌سازی‌های نظری خود در نظر نگرفته‌ایم. این موضوع می‌تواند نشان‌دهنده‌ی شکاف در درک فعلی ما از ماهیت ماده‌ی تاریک و خصوصیات واقعی آن باشد. زیرا این داده‌های ارزشمند رصدی به ما اجازه داده که توزیع دقیق ماده‌ی تاریک را در کوچکترین مقیاس‌ها بررسی کنیم.»
او این موضوع را در حالی بیان می‌کند که چند روز پیش تیمی از مرکز اخترفیزیک هاروارد و اسمیتسونیان، از دستیابی به یک شبیه‌سازی دقیق برای شکل ماده‌ی تاریک خبر داده بود.
رصد توزیع ماده‌ی تاریک در خوشه‌های کهکشانی، از طریق خم شدن نور یا اثر لنز گرانشی که ایجاد می‌کند، بررسی می‌شود. گرانش ماده‌ی تاریک نور پس‌زمینه‌ی دوردست را بزرگنمایی می‌کند و تاب می‌دهد که باعث اعوجاج تصاویر رصدی می‌شود و حتی گاهی تصاویر متعددی از یک کهکشان دوردست شکل می‌گیرد. هرچه تراکم ماده‌ی تاریک در یک خوشه‌ی کهکشانی بیشتر باشد، خمش نور بر اثر آن بیشتر خواهد بود.
بررسی خوشه‌ی کهکشانی MACS J1206 توسط هابل که کهکشان‌های دوردست را در میان خوشه تغییر شکل‌یافته نشان می‌دهد
Credit: NASA, ESA, P. Natarajan (Yale University), G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), the CLASH-VLT/Zooming teams; acknowledgment: NASA, ESA, M. Postman (STScI), the CLASH team
تصاویر واضح هابل همراه با طیف به دست آمده از VLT به تیم پژوهشی کمک کرده تا یک نقشه‌ی ماده‌ی تاریک با دقت و کیفیت بالا تولید کنند. آن‌ها تصویر ده‌ها کهکشان پس‌زمینه‌ای عبور کرده از لنز گرانشی و در نتیجه چند برابر شده را یافته‌اند. با اندازه‌گیری میزان اعوجاج ناشی از لنز گرانشی، ستاره‌شناسان می‌توانند مقدار و نحوه‌ی توزیع ماده‌ی تاریک را کشف کنند.
سه خوشه‌ی کهکشانی کلیدی استفاده شده در این تجزیه‌وتحلیل، MACS J1206.2-0847 و MACS J0416.1-2403 و Abell S1063 و طی بخشی از دو کاوش هابل بودند: برنامه‌های Frontier Fields و Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble که به اختصار CLASH گفته می‌شود.
نکته‌ی جالب توجه در مشاهدات هابل این است که این تلسکوپ همچنین کمان‌های کوچک-مقیاس و تصاویر اعوجاج را درون اعوجاج‌های بزرگ-مقیاس ناشی از لنزهای گرانشی نشان داده است، جایی که بیشتر کهکشان‌های پرجرم شکل می‌گیرند.
پژوهشگران معتقدند که این لنزهای درونی، توسط گرانش ماده‌ی تاریک متراکمی که با کهکشان‌های منفرد خوشه مرتبط است، ایجاد می‌شود. طبق یافته‌ها توزیع ماده‌ی تاریک در مناطق درونی کهکشان‌ها اثر لنز گرانشی خوشه‌ی کهکشانی را افزایش می‌دهد.
در ادامه، مشاهدات طیف‌سنجی هم با اندازه‌گیری سرعت ستاره‌هایی که در داخل چند کهکشان خوشه در حال چرخش هستند، به مطالعه افزوده شد. «پیرو روزاتی» (Piero Rosati) یکی از اعضای تیم از دانشگاه فرارا ایتالیا گفت: «بر اساس مطالعات طیف‌سنجی، ما توانستیم کهکشان‌ها را با هر خوشه مرتبط کنیم و فاصله‌ی آن‌ها را تخمین بزنیم.»
«پیترو برگامینی» (Piero Rosati) عضو تیم رصدخانه‌ی INAF هم اضافه کرد: «سرعت ستاره‌ها به ما تخمینی از توده‌ی هر کهکشان از جمله ماده‌ی تاریک می‌دهد.»
تیم پژوهشی، نقشه‌های ماده‌ی تاریک را با نمونه‌های خوشه‌های کهکشانی شبیه‌سازی شده با جرم مشابه که در فاصله‌ی تقریبا یکسانی هم قرار داشتند، مقایسه کردند. اما خوشه‌های شبیه‌سازی شده، نسبت به جهان واقعی، سطح یکسانی از ارتباط ناشی ماده‌ی تاریک با کهکشان‌های منفرد خوشه در مقیاس‌های کوچک، نشان ندادند.
این تیم نتایج پژوهش خود را ۱۱ سپتامبر (۲۱ شهریور) در نشریه‌ی علمی Science منتشر کردد و همچنین به دنبال آزمایش تنش مدل استاندارد ماده‌ی تاریک است تا به ماهیت مرموز آن پی ببرد.
ابزارهای آینده هم می‌تواند در این راستا به دانشمندان کمک کند. برای نمونه تلسکوپ فضایی نانسی رومن که هفته‌ی گذشته آینه‌ی آن کامل شد، کهکشان‌های دورتر را از طریق لنزهای گرانشی شناسایی خواهد کرد. این رصدها نمونه‌های خوشه‌های کهکشانی که ستاره‌شناسان می‌توانند برای آزمایش بیشتر مدل‌های ماده‌ی تاریک تجزیه و تحلیل کنند، توسعه می‌دهد.
عکس کاور: استفاده‌ی هابل از لنز گرانشی برای یافتن ماده‌ی تاریک
Credit: NASA, ESA, and D. Player (STScI)
منبع: SciTechDaily
