ستاره‌های پیر و ماده تاریک!

در150میلیون سالِ اول بعد از انفجار بزرگ، هیچ کهکشان، خوشه، ستاره و یا سیاره‌ای نبود. بعد از آن کهکشان‌ها شروع به خوشه شدن کردند. این خوشه‌ها از کهکشان‌ها و مواد بین کهکشان‌ها ساخته شده اند. در طی این فرآیندها انبوهی از مواد به هم برخورد کردند و سیاره‌ها در سامانه خورشیدی ما آغاز به تشکیل کردند.

اما چیزی باید خوشه های کهکشانی، کهکشان‌ها و سامانه خورشیدی ما را نگه داشته باشد."گرانش" این چسب است!

در بعضی از خوشه‌ها، فضای بین کهکشان‌ها با گاز بسیار داغی پر شده است. دانشمندان نمی‌توانند این گاز را با تلسکوپ‌های نور مرئی ببینند. این گاز فقط توسط پرتوهای X و یا گاما می‌تواند دیده ‌شود. آن‌ها این گاز را مشاهده می‎‌کنند و مقدار آن را بین کهکشان‌ها در خوشه‌ها اندازه‌گیری می‌کنند. این اندازه‌گیری نشان می‌دهد که باید موادی بیشتر از 5برابر آن‌چه که ما در خوشه‌ها می‌بینیم وجود داشته باشد. این ماده‌ی نامرئی که ما نمی‌توانیم ببینیم "ماده تاریک" نامیده می‌شود. ماده تاریک نزدیک به 27 درصد از کیهان را شامل می‌شود.

چه کسی فرضیه ماده تاریک را وارد دنیای کیهان شناسی کرد؟

تولد فرضیه ماده تاریک عمر زیادی ندارد. در سال1930میلادی Fritz Zwicky ستاره شناس سوییسی از عبارت "ماده تاریک" برای بار اول استفاده کرد. Zwicky خوشه کهکشانی به نام Coma و چرخش آن را مطالعه و بررسی کرد. می‌توان گفت ‌خوشه‌ها بسیار شبیه به چرخ‌وفلک هستند. سرعت چرخش آن‌ها به جرم و موقعیت اجرامی که در آن‌هاست بستگی دارد، درست مانند جرم اجسام و موقعیت‌شان وقتی که درون چرخ‌وفلک هستند. سرعتی که او اندازه‌گیری کرد، نشان داد که جرم این خوشه باید بسیار بیشتر از جرمی باشد که با نور مرئی دیده می‌شود.

در سال 1970 ستاره شناسی آمریکایی به نام Vera Rubin و همکارانش با بررسی چرخش کهکشان‌ها این نتیجه را تایید کردند. آن‌ها همچنین کهکشان‌های تنهایی را پیدا کردند که جرم بیشتری از جرم قابل مشاهده‌شان داشتند. تحقیقات Rubin و همکارانش به ساختن مفهوم "ماده تاریک" بسیار کمک کرد.

به طور خلاصه می‌توان گفت ‌تا این‌جا پی بردیم که اگر بخواهیم با موادی که از کهکشان‌ها می‌شناسیم و مشاهده کرده‌ایم کهکشان بسازیم نمی‌توانیم! زیرا به شدت ناپایدار می‌شوند. پس جرقه‌ای بزرگ توسط Zwicky در کیهان شناسی زده شد. او بیان کرد معمایی ناشناخته در کهکشان‌ها وجود دارد که در گستره بینایی ما جای ندارند. این معما می‌تواند عاملی برای ثبات کهکشانی باشد.(حالا می دانیم کجای کار برای ساختن کهکشان می‌لنگد!)

دانشمندان در مورد ماده تاریک چه می ‌دانند؟

فرض کنید یک پازل جلوی رویتان است که توانسته اید فقط تعداد کمی از تکه‌هایش را سرجایش بگذارید. این تکه‌ها دقیقا دانسته‌های دانشمندان از پازل بزرگ ماده تاریک است.

دانشمندان توسط روش‌های بسیاری می‌دانند ماده تاریک چه چیزی نیست! تا اینکه بدانند دقیقا چه چیزی است؟!!

مثلا ماده تاریک می‌تواند احتمالا کوتوله‌های قهوه‌ای باشد: ستاره‌هایی که به خاطر نداشتن جرم موردنیاز برای مشتعل شدن ستاره هیچ وقت نتوانسته‌اند روشن شوند.

ماده تاریک می‌تواند کوتوله‌های سفید باشد: بقایایی از هسته‌‌ی ستاره‌هایی با اندازه کوچک تا متوسط.

یا ماده تاریک می‌تواند ستاره‌های نوترونی و یا سیاه‌چاله‌ها باشد: بقایای ستاره‌های بزرگ بعد از انفجار.

اما تمامی این فرضیه‌ها اشتباه هستند و توسط دانشمندان رد شده ‌است، چون تعداد کافی کوتوله قهوه‌ای یا کوتوله سفید برای این مقدار زیاد از ماده تاریکِ موجود در کیهان وجود ندارد. همچنین سیاه چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی.

ممکن است به طور کلی ماده تاریک از "ماده" ای که ما با آن آشنایی داریم ساخته نشده باشد. ماده‌ای که ماده تاریک از آن ساخته شده است می‌تواند کاملا متفاوت باشد. ممکن است این ماده از ذراتی ساخته شده باشد که یک تئوری آن را پیش‌بینی می‌کند اما دانشمندان هنوز آن را مشاهده نکرده‌اند.

دانشمندان نمی‌توانند ماده تاریک را به طورمستقیم مشاهده کنند پس از راه‌های دیگری برای بررسی آن استفاده می‌کنند. یکی از این راه‌ها عدسی گرانشی است. فرض‌ کنید سایه‌ی یک جسم را در اختیار دارید و حالا توسط این سایه می‌خواهید ویژگی های جسمی که این سایه را تشکیل داده حدس بزنید و این جسم را بشناسید!

نور هنگام عبور از عدسی گرانشی همان‌طوری رفتار می‌کند که از عدسی اپتیکی عبور می‌کند، یعنی خم می‌شود. وقتی نور از ستاره‌های دور از درون کهکشان‌ها و خوشه‌ها عبور می‌کند، گرانشِ ماده‌ی موجود در کهکشان و یا خوشه باعث خم شدن آن می‌شود. و به نظر می‌رسد نور از جایی غیر از مبدا واقعی خود به ما رسیده است. مقدار خمش نور می‌تواند دانشمندان را برای اندازه‌گیری مقدار ماده تاریک موجود کمک کند. بسیاری از دانشمندان ناسا از تلسکوپ فضایی هابل برای مشاهده‌‌ی عدسی گرانشی استفاده می‌کنند.

تلسکوپ فضایی هابل از طریق همگرایی گرانشی توزیع ماده تاریک را در اطراف کهکشان های خوشه ی پرجرم CL0025+1654 (با رنگ آبی) نشان داده است.

روشی جدید برای شناخت ماده تاریک و ویژگی‌هایش

این بار دانشمندان به سراغ یک روش غیرقابل انتظار برای شناختن بهتر ماده تاریک رفته اند: ستاره‌های پیر کهکشان راه شیری!

سرعت ذرات ماده تاریک که در جهان حرکت می‌کنند مشخصه‌ی مهمی برای شناختن بهتر ماهیت این ماده‌ی معمایی است. محققان سال‌ها برای اندازه‌گیری سرعت ماده تاریک تلاش کرده‌اند اما موفقیت چندانی حاصل نشده است. پس این بار روش‌های قبلی خود یعنی رصد و مشاهده را کنار گذاشته و شبیه‌‌سازی کامپیوتری را امتحان کرده‌اند.

روز بیست و چهارم ژانویه یک مقاله توسط گروهی بین المللی از اخترفیزیکدانان در نشریه Physical Review Letters چاپ شد که به طور خلاصه رهیافت شبیه‌سازی کامپیوتری به منظور اندازه‌گیری سرعت ماده تاریک را همراه با تحول پیرترین ستار‌ های کهکشان راه شیری توضیح می‌دهد.

Mariangela Lisanti استادیار فیزیک دانشگاه پرینستون می‌گوید:" این ستاره‌های پیر مانند یک سرعت سنج مرئی برای اندازه‌گیری سرعت توزیع ماده تاریک نامرئی در نزدیکی زمین عمل می‌کنند. شما می‌توانید پیرترین ستاره‌ها را به عنوان یک ردیاب درخشان ماده تاریک درنظر بگیرید. چون ماده تاریک هیچ نور قابل مشاهده‌ای را از خود انتشار نمی‌دهد ما هیچ وقت نمی‌توانیم ماده تاریک را ببینیم و کاملا برای ما نامرئی است. به همین دلیل خیلی سخت است که بتوانیم چیزدقیق و مشخصی راجع به آن بگوییم."

چرا ستاره‌های پیر؟

ایده این بود: زیرمجموعه‌ای از ستاره‌ها در کهکشان ممکن است این امکان را برای ستاره‌شناسان فراهم کنند که بتوانند حرکت نامرئی ماده تاریک را مشاهده کنند.

نظریه‌های اخیر بیان می‌کند که هالهی فراگیر ماده تاریکِ کهکشان راه شیری از هاله‌های فرعی و کوچک تر تشکیل شده اند که علاوه بر ماده تاریک دارای ستاره هم می‌باشند.

Jonah Herzog-Arbeitman یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید:"فرضیه‌ی ما این بود که زیرمجموعه‌ای از ستاره‌ها وجود دارند که بنا بردلایلی می‌توانند با حرکت ماده تاریک جور شوند."

برای استفاده از این ستاره‌ها ابتدا نیاز بود که بفهمند کدام ستاره‌ها مشابه ماده تاریک رفتار می‌کنند. پس از یک شبیه‌سازی کامپیوتری به نام Eris برای شبیه‌سازی رفتارهای اجرام در کهکشان راه شیری از جمله ستاره‌ها و ماده تاریک استفاده کردند. از نمودارها و داده‌هایی که توسط Eris به دست آمده بود استفاده کردند تا ماهیت ماده تاریک را با ماهیت زیرمجموعه‌ای از ستاره‌ها مانند ستاره‌هایی با متالیسیتی‌های مختلف(metallicity) مقایسه کنند. متالیسیتی یک مقیاس از نسبت فلزات سبک به فلزات سنگین(مانند آهن) در ستاره است.

فلزات در ابرنواخترها و در طی ادغام ستاره‌های نوترونی ساخته شده‌اند. پس محققان می‌توانند با ارزیابی متالیسیتی یک ستاره، سن آن را تخمین بزنند. پس سن یک ستاره می‌تواند تا اندازه‌ای با وجود داشتن فلزات سنگین در هنگام تشکیل آن مرتبط باشد.

کهکشان‌های کوچکتری که راه شیری در طی زمان با آن‌ها یکی شده و همراه با آن‌ها رشد کرده است(پر از ستاره و ماده تاریک) دارای مقدار کمتری از فلزات سنگین بوده‌اند.

خروجی شبیه سازی بسیارعجیب بود!

در خروجی، منحنی‌ها سرعت ماده تاریک را منطبق با ستاره‌هایی که دارای مقادیر کمتری از فلزات سنگین بودند ستاره‌های بسیار پیر از کهکشان‌های افزوده شده به راه شیری، در زمان‌های خیلی دور- نشان می‌دادند.

اگر دوباره مرور کنیم متوجه می‌شویم که محققان ارتباط بین ستاره‌های قدیمی و ماده تاریک را خیلی دور از انتظار و غافلگیرانه نمی‌دانستند. Necibمی‌گوید:" ماده تاریک و این ستاره‌های پیر شرایط اولیه یکسانی دارند: از یک مکان شروع شده‌اند و ویژگی‌های یکسانی دارند."

یک راه متفاوت برای یافتن ماده تاریک!

در مقایسه با مطالعات گذشته، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری رهیافتی متفاوت برای سنجش سرعت ماده تاریک است. در طی دهه‌های اخیر، طیف وسیعی از محققان از آشکارسازهای ماده چگال مانند زنون استفاده می‌کردند. زنونی که در زیر سطح زمین قرار گرفته تا اثر مرئی برخورد ماده تاریک بر اتمهای فشرده شده را آشکار کند.

جرم و سرعت ماده تاریک بر موفقیت این آزمایش‌ها تاثیر می‌گذارد. به همین دلیل است که ستاره‌شناسان سرسختانه به دنبال اندازه‌گیری سرعت ماده تاریک هستند.

به نظر می‌رسد اگر ماده تاریک آرام و سبک وزن باشد، انرژی جنبشی مورد نیاز برای اندرکنش قابل توجه با ماده چگال را نداشته باشد؛ و به همین دلیلی برخوردی مشاهده نشده باشد. Lisanti اشاره می‌کند:"آیا سرعت توزیع ماده تاریک متفاوت با آن چیزی است ما انتظار داریم و به همین دلیل چیزی مشاهده نکرده‌ایم؟"

روش شبیه‌سازی کامپیوتری ممکن است محققان را به سمت اندازه‌گیری سرعت ماده تاریک و دیگر ویژگی‌های آن سوق دهد پس رهیافت بسیار مهمی در این حوزه است. اکنون این شبیه‌سازی‌ها نظری هستند و مدرکی تجربی را برای ما ایجاد نکرده است. قدم بعدی برای این شبیه‌سازی، اندازه‌گیری سرعت ستاره‌های پیر، قبل از پیوستن‌شان به ستاره‌های کهکشان راه شیری ما است.

زمان زیادی برای انتشار این یافته‌ها نیاز نخواهد بود چرا که تلسکوپ فضایی گایا مشغول به جمع آوری داده از نزدیک به یک میلیارد ستاره است و وقتی این داده‌ها انتشار پیدا کنند، یافته‌های تئوری می‌توانند به یک نتیجه‌ی علمی و دقیق منجر شوند!

منابع:

www.astronomy.com

www.nasa.gov