بیگ بنگ: محققان دانشگاه بن و دانشگاه کالیفرنیا در ایروین با استفاده از شبیه­‌سازی­های پیشرفته کامپیوتری آزمایشی طراحی کردند تا بتواند پاسخگوی این سوال مهم در اخترفیزیک باشد که آیا ماده تاریک واقعاً وجود دارد؟ یا قانون گرانش نیوتن نیاز به اصلاح دارد؟ این مطالعه جدید، هم اکنون در Physical Review Letters منتشر شده، نشان می­دهد که پاسخ این سؤال در حرکت ستارگان، درون کهکشان­‌های ماهواره‌­ای کوچکی که به دور راه شیری در حال چرخش هستند، نهفته است.

به گزارش بیگ بنگ، با استفاده از یکی از سریع­ترین ابرکامپیوترها در جهان، دانشمندان توزیع ماده در آنچه که کهکشان­‌های کوتوله ماهواره­‌ای نامیده می­شوند را شبیه‌سازی کردند. این­ها کهکشان­‌های کوچکی هستند که به دور کهکشان­‌های بزرگی همچون راه شیری یا آندرومدا می­چرخند. محققان بر رابطه­‌ای که رابطه شتاب شعاعی(RAR) نامیده می­شود، متمرکز شده‌­اند. در کهکشان­‌های مدور یا دیسکی، ستارگان در مدارهایی دایره­‌ای در اطراف مرکز کهکشان حرکت می­ کنند. شتابی که آنها را وادار به تغییر جهت می­ کند به علت گرانش ماده در کهکشان است. RAR رابطۀ بین این شتاب و شتابی که توسط ماده قابل رؤیت ایجاد می­ شود را توصیف می­ کند. این موضوع بینشی جدید از ساختار کهکشان‌­ها و توزیع ِ ماده‌­شان را فراهم می­­ آورد.

پروفسور دکتر کریستانو پورجیانی از مؤسسه آرگلاندر برای نجوم در دانشگاه بن گفت: «ما برای اولین‌بار “رابطه شتاب شعاعی” کهکشان­های کوتوله را با فرض اینکه ماده تاریک وجود دارد را شبیه‌­سازی کردیم. مشخص شد که آنها همچون نسخه‌­های کوچک شده کهکشان­‌های بزرگ­تر رفتار می­ کنند.” اما اگر ماده تاریک وجود نداشته باشد و در عوض گرانش با آنچه نیوتن تصور می­کرد متفاوت باشد چه؟ محقق امیلیو رومانو-دیاز توضیح داد: «در این حالت، “رابطه شتاب شعاعی” کهکشان­‌های کوتوله به ­شدت به فاصلۀ با کهکشان­‌های بزرگترشان وابسته بوده، در حالی­که اگر ماده تاریک وجود داشته باشد، این اتفاق نمی­افتد.»

این تفاوت، کهکشان‌های کوتوله ماهواره‌ای را به کاوشگری قدرتمند برای آزمودن اینکه آیا ماده تاریک وجود دارد، تبدیل می­ کند. فضاپیمای گایا که توسط ایستگاه فضایی اروپا در سال ٢٠١٣ پرتاب شد، می­تواند پاسخ این سؤال را بدهد. این فضاپیما برای مطالعۀ ستارگانی در راه شیری و کهکشان­‌های ماهواره­‌ای آنها با جزئیاتی بی­‌سابقه طراحی شده است و تا کنون مقدار زیادی از اطلاعات را جمع‌­آوری کرده است.

با این حال، احتمالاٌ سال­ها طول می­ کشد تا این داده­‌ها مورد تحلیل و آنالیز قرار بگیرند. دانشجوی دکترا انریکو گارالدی گفت: «اندازه‌­گیری­‌ها برای آزمایش ِ تفاوت‌­های کوچکی که در شبیه­‌سازی­‌ها­یمان با آنها برخورد کردیم، کافی نیستند. اما مکرراً با بررسی همان ستارگان، اندازه­‌گیری­‌ها را بهبود می ­بخشیم. دیر یا زود، باید مشخص شود که آیا کهکشان­‌های کوتوله در جهانی با ماده تاریک یا بدون ماده تاریک رفتار می­ کنند.»

چسبی که کهکشان­‌ها را با همدیگر نگه می­دارد

این سوال یکی از مهمترین مسائل در کیهان­‌شناسی امروزی است. وجود ماده تاریک بیش از 80 سال پیش توسط “فریتس زوئیکی”اخترشناس سوییسی پیشنهاد شد. او فهمید که کهکشان­‌ها در خوشه‌­های کهکشانی که واقعاً باید از همدیگر جدا شوند، بسیار سریع حرکت می ­کنند. بنابراین او وجود ماده­‌ای پنهان که به ­دلیل جرمش گرانشی کافی برای نگه داشتن کهکشان­‌ها در مدارهای مشاهده شده‌­شان وارد می­ کند، را پیشنهاد داد. در دهه 1970 “ورا روبین” همکار او در ایالات متحده آمریکا، پدیده­ای مشابه در کهکشان­های مارپیچی شبیه کهکشان راه شیری کشف نمود. اگر فقط ماده قابل مشاهده وجود داشته باشد چون آنها به سرعت دوران می­کنند، نیروی گریز از مرکز باید آنها را از یکدیگر جدا کند.

امروزه همه فیزیک­دانان متقاعد شده‌­اند که ماده تاریک در حدود 80 درصد از جرم جهان را به خود اختصاص می­ دهد. از آنجا که با نور اندرکنشی ندارد، برای تلسکوپ­‌ها غیرقابل مشاهده است. هنوز، فرض وجود ماده تاریک تناسب فوق‌­العاده­‌ای با تعدادی از مشاهدات – همچون توزیع تابش پس­‌زمینه ناشی از بیگ­ بنگ را فراهم می­ آورد. ماده تاریک همچنین توضیحی خوب برای نحوۀ قرارگیری و آهنگ تشکیل کهکشان­‌ها در جهان ارائه می­ دهد. با این حال، با وجود چندین تلاش آزمایشگاهی، دلیلی مستقیم از اینکه ماده تاریک وجود دارد، در دست نیست. این امر باعث شده که منجمان به فرضیه‌­ای فکر کنند که نیروی گرانشی خودش ممکن است متفاوت با آنچه قبلاً تصور می­ شد، باشد. مطابق با نظریه‌­ای که دینامیک نیوتنی اصلاح شده(MOND) نامیده می­ شود، گرانش بین دو جرم فقط در نقطه­‌ای خاص از قانون نیوتن پیروی می­ کند. در شتاب­‌های بسیار پایین، همانند آنچه در کهکشان‌­ها حکمفرماست، گرانش به­ طور قابل­ توجهی قوی­‌تر می­ شود. بنابراین، کهکشان­‌ها به­ دلیل سرعت دورانشان از هم جدا نشده و نظریه MOND می­تواند با ماده تاریک کنار بیاید.

ترجمه: سوران زوراسنا/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: phys.org