بیگ بنگ: یک تحقیق جدید، مدل­‌های فعلی شکل­‌گیری ساختار بزرگ مقیاس در جهان را بررسی کرده است. این تحقیق براساس داده‌های بدست آمده از “تلسکوپ بزرگ جزایر قناری”(IAC) و تیم نویسندگان آنها انجام شده است.

به گزارش بیگ بنگ، ساختار جهان را می­توان با یک اسفنج مقایسه کرد که اغلب بعنوان تار کیهانی شناخته می ­شود. ماده در امتداد رشته­‌هایی متمرکز شده که از روی همدیگر عبور کرده‌­اند. نواحی که بیشترین تجمع ماده را دارند در حال شکل­‌گیری و در دیگر مکان­‌ها که این تجمع بسیار کم است، هیچ ناحیه­‌ای به وجود نمی­ آید. در متراکم‌­ترین نقاط، گروه‌­های کهکشانی با همدیگر خوشه­‌ها را تشکیل می­ دهند. این سیستم­‌ها، که می­توانند شامل هزاران کهکشان باشند، از پرجرم‌­ترین ساختارهای موجود در جهان را تشکیل می دهند.

مطالعه­ تار کیهانی یکی از چالش‌­های فعلی در اخترفیزیک است. خواص اجزای اصلی ماده در این مقیاس به خوبی شناخته شده نبوده، از این­رو ما از اصطلاحاتی مانند “ماده تاریک” و “انرژی تاریک” استفاده می­کنیم. ماده تاریک حدود ٢٠ درصد از جرم جهان را تشکیل می­دهد و این چیزی است که ساختارها را توسط گرانشش حفظ می کند – آن همانند یک چسب عمل می­کند.  از سوی دیگر، انرژی تاریک ٧٥ درصد از جهان را تشکیل می­دهد که با انبساط جهان ارتباط دارد. ماده “معمولی”، کهکشان­ها با ستارگان، گاز و غبار، تقریباً ٥ درصد از جرم جهان را تشکیل می­دهند، اما نقش مهمی در ردیابی نیروها و خواص ماده تاریک و انرژی تاریک ایفا می­ کند.

یک تیم بین­‌المللی به سرپرستی “مائورو سرنو” از دانشگاه بولونیا(ایتالیا)، با مشارکت محققان دیگر به مطالعۀ یکی از متراکم­‌ترین خوشه­‌های کهکشانی در جهان پرداخت. در این تحقیق برای اولین‌بار، نواحی بیرونی خوشه کهکشان PSZ2 G099.86 + 58.45 خارج از شعاع ٩٠ میلیون سال نوری و در ناحیه­‌ای که توزیع ماده پیش از آن شناخته شده نبود، مورد بررسی قرار گرفتند.

محیط خوشه­‌های کهکشانی شامل ساختارهایی همچون رشته­‌ها و دیگر خوشه­‌های همسایه و موادی است که به سمت خوشه مرکزی پرجرم‌­تر سقوط می­ کنند. “مائورو سرنو” پژوهشگر اصلی گفت: «این مطالعه نشان می­دهد که چگالی ماده در اطراف خوشه‌­ای که مورد مطالعه قرار گرفته است تا 6 برابر بیشتر از حد انتظار است.» علاوه بر این، محققان کشف کرده­‌اند که مکانیزم­‌هایی که سبب یک­پارچه شدن جرم می ­شوند، می­توانند تراکم بسیار بالایی را حتی در فواصل بزرگتری از این خوشه­‌های کهکشانی ایجاد کنند.

این کار بر اساس اثر “همگرایی گرانشی” است و زمانی اتفاق می­ افتد که جرم یک خوشه و مواد اطراف آن، نور رسیده از کهکشان­‌های بسیار دور را خم کرده و تصاویر کهکشان­‌های پس­ زمینه را تغییر می­ دهند. جسم متراکم‌­تر و با تمرکز بیشتر بعنوان یک لنز عمل می­ کند، و سبب تغییرشکل بیشتر کهکشان­‌های پس ­زمینه می­ شود. مطالعه آماری تغییرشکل­‌ها برای بیش از ١٥٠ هزار کهکشان پس­ زمینه از طریق آنچه اثر “لنز ضعیف” نامیده می­ شود و با استفاده از تصاویر عمیق بدست آمده با CFHT این تیم را قادر به پیدا کردن توزیع، جرم و تراکم در اطراف خوشه PSZ2 G099.86+58.45 کرده است. نتایج نشان می­دهد که این خوشه یک استثناء نادر است که با مدل‌های شکل­‌گیری ساختار جهان مطابقت ندارد. این بدان معنی است که مکانیزم­‌هایی باید برای یک­پارچه‌­سازی ماده وجود داشته باشند که از مکانیزم­‌هایی که می­ شناسیم بسیار کارآمدتر هستند.

اگرچه مدل­‌ها، در نواحی درونی خوشه­‌های کهکشانی و در فاصله‌­ای به اندازه ١٥ تا ٢٠ میلیون سال نوری با چگالی ماده مورد انتظار تطابق خوبی دارند، اما در مناطق بیرونی، مدل­‌ها به یک جزء اضافی نیازمندند تا با داده‌­های مشاهده شده سازگار باشند. رافائل بارنا، پژوهشگر IAC، و یکی از نویسندگان مقاله گفت: «این جزء از جرم کاملاً ناشناخته است و شبیه‌­سازی­‌های عددی خوشه‌­های کهکشانی آن را پیش‌­بینی نمی­ کنند. بنابراین با شواهد مشاهداتی برای مقادیر زیادی از ماده که انتظار یافتن آن را نداشتیم، مواجه هستیم.»

سهم گروه IAC در این مقاله، مشاهدات طیفی نمونه­‌ای از کهکشان­‌ها که بخشی از خوشه PSZ2 G099.86 + 58.45 را تشکیل می­ دهند، می­باشد. این مشاهدات با استفاده از طیف­ گرافی چند منظوره OSIRIS بر روی تلسکوپ بزرگ جزایر قناری در رصدخانه گارفیا، لاس­پالماس، انجام شده است. با اندازه­‌گیری سرعت حرکت کهکشان‌ها در خوشه، امکان اندازه‌­گیری جرم کل خوشه وجود دارد.

این معادل اندازه‌­گیری جرم خورشید با استفاده از سرعت سیارات در مدارهایشان است. با استفاده از این روش، دانشمندان توانستند جرم کل خوشه را اندازه‌­گیری کنند. نتایج نشان می­ دهد که PSZ2 G099.86 + 58.45 یک خوشه عظیم و متراکم از کهکشان­‌ها است و اثرات میدان گرانشی بسیار قدرتمند آن به فواصل بسیار دورتر از مرکزش گسترش یافته و بسیار بیشتر از آن چیزی است که مدل­‌ها پیش‌­بینی کرده‌­اند.

آلینا استربلیانسکا، پژوهشگر IAC، یکی از نویسندگان این مقاله می­گوید: «ما مطالعه‌­ای را انجام داده‌­ایم که دری به نواحی از جهان – مرز بین خوشه­‌های کهکشانی – که تاکنون بطور کافی مورد کشف و بررسی قرار نگرفته­‌ است، باز می­ کند.» آنتونیو فراگامو، پژوهشگر IAC نتیجه می­گیرد:«این ناحیه­‌ای است که می­تواند اطلاعات زیادی همچون، نحوه شکل­‌گیری و چگونگی تکامل این ساختارهای عظیم در جهان را در هنگام مطالعه این سیستم­‌ها به ما بدهد. با این مطالعه ما گام کوچک دیگری برای شناخت ماده تاریک و نحوه توزیع آن در تار کیهانی جهان برداشته‌­ایم.» جزئیات بیشتر این پژوهش در مجله Nature Astronomy منتشر شده است.

ترجمه: سوران زوراسنا/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: Phys.org