کهکشان فوق‌العاده پراکنده یا کهکشان به شدت پخشی (غیرمتمرکز (UDG یا Ultra Diffuse Galaxy، کهکشان فوق‌العاده کم نوری است که اولین نمونه از آن در خوشه دوشیزه در سال 1984 توسط آلن سندیج و برونو بینگگلی کشف شد. چنین کهکشانی، ممکن است همان اندازه و جرم راه شیری را داشته باشد اما تعداد ستاره قابل مشاهده آن تنها 1٪ است. کمبود روشنایی آنها ناشی از کمبود گاز تشکیل ستاره‌ای در کهکشان است که این امر در نتیجه وجود جمعیت‌های ستاره‌ای قدیمی می‌باشد.

دو کهکشان حاوی ماده تاریک کمی هستند، کهکشانهای روح معمولا غنی از ماده تاریکمی‌باشند.

ارواح یعنی کهکشانهای روح همه جا هستند. بعضی از آنها هم‌اندازه راه شیری و حتی بزرگتر هستند، اما ستاره‌های بسیار کوچکی دارند که خیلی کم‌نور هستند و شناسایی آنها دشوار است. ما این کهکشان‌ها را چندین دهه است که شناخته‌ایم، اما اخیرا تکنیک‌های ردیابی جدید نشان داده است که آنها چقدر رایج هستند.

اکثر این کهکشان‌های به اصطلاح فوق‌العاده پراکنده، باید غنی از ماده تاریک باشند – این باعث می‌شود که کشش گرانشی برای جلوگیری از انحلال ستاره‌های آنها وجود داشته باشد. اما اکنون اخترشناسان نه تنها یکی از آنها را پیدا کرده‌اند، بلکه دو کهکشان مشابه وجود دارند که به نظر نمی‌رسد ماده تاریک زیادی داشته باشند. کشف جدید تصویری از این کهکشان ها را ارایه می‌دهد.

یک کهکشان با حداقل ماده تاریک

سال گذشته پیتر ون داکوم (دانشگاه ییل) و همکارانش اولین کهکشان با ماده تاریک کم را در نزدیکی NGC 1052 بیضوی کشف کردند که NGC 1052-DF2 نام گرفت. اخترشناسان با استفاده از مشاهدات 10 خوشه کروی اطراف لبه‌های کهکشان، مجموع جرم DF2 را تعیین کردند. به نظر می‌رسد مجموع جرم کوچک و تقریبا برابر با جرم ستارگان آن است. معمولا جرم کلی کهکشان را ستارگانش با یک عامل 100 یا بیشتر جبران می‌کند که به حضور ماده تاریک اشاره می‌کند. اما در این کهکشان، به نظر نمی‌رسد که هیچ چیز پنهانی به غیر از ستاره وجود داشته باشد.

(به دلایلی اخترشناسان هنوز نمی‌دانند که چرا خوشه‌های کروی خودشان نیز عجیب هستند. همه آنها به طور غیرمعمول درخشان هستند، همانند امگا سنتوری، روشن‌ترین خوشه کروی در راه شیری).

لکه‌ای در مرکز این تصویر هابل، کهکشان فوق‌العاده پراکنده NGC 1052-DF2 را نشان می‌دهد که کهکشانی است که بیشترین مقدار ماده تاریک خودش را از دست می‌دهد.

NASA / ESA / P. van Dokkum (Yale University)

شاید جای تعجب نیست که ادعای فوق‌العاده این تیم با بحث و جدل، بلافاصله مورد باخورد قرار گرفته است. برخی از اخترشناسان اظهار داشتند که 10 خوشه کروی برای ارزیابی جرم، قابل اعتماد نبودند. دیگران استدلال کردند که فاصله تا NGC 1052-DF2 خود نامعلوم است، و هر تلاش برای فهمیدن آن را در هاله‌ای از ابهام قرار دارد.

برای مشخص کردن وجود  DF2، ون‌داکوم و همکارانش از آرایه تلسکوپی سنجاقک (http://www.dunlap.utoronto.ca/instrumentation/dragonfly/) استفاده کردند تا تصاویری را بدست آورند که هر یک به طور همزمان از چندین لنز 400 میلیمتری کانون، شبیه عملکرد چشمهای سنجاقک استفاده می‌کند. این آرایه منحصر به فرد، اخترشناسان را قادر می‌سازد تا “اجرام بسیار ضعیف” مانند کهکشانهای بزرگ با ستاره‌های ضعیف را شکار کنند. قبل از کشف DF2، این گروه ده‌ها مورد از این کهکشان‌های روح را در خوشه‌ ستاره‌ای کما، از جمله Dragonfly 44 بررسی کردند که کهکشانی هم‌جرم کهکشان راه شیری است که 100 برابر ستارگان کمتری از کهکشان ما را دارا می‌باشد. به نظر می‌رسد از 99.99٪ ماده تاریک ساخته شده است.

حضور و باقی‌ماندن این کهکشان پخشی در خوشه‌ای به پرجرمی و بزرگی گیسو، این نظریه را پیشنهاد می‌دهد که اگر جرم این کهکشان‌ها کم باشد خیلی سریع توسط نیروهای کِشندی سایر کهکشان‌های مجاور نابود می‌شوند مگر اینکه دارای حجم بسیار بالایی از ماده‌ی تاریک باشند تا بتوانند پایداری خود را حفظ کنند.

هنوز معلوم نیست که چگونه کهکشان‌های UDG با سایر گونه‌های کهکشانی مرتبط هستند. یک احتمال این است که این کهکشان‌ها به دلیل فعالیت محیط خوشه‌ها به وجود آمده باشند که در ابتدا با یک دیسک کم‌جرم و کم‌نور متولد شده‌اند. نظریه دیگر این است که UDGها از انتهای توزیع کهکشان‌های کوتوله‌ی به‌شدت‌چرخان به‌ وجود می‌­آیند. در این کهکشان‌ها اندازه و درخشندگی یک کهکشان به میزان چرخش آن‌ها وابسته است. نظریه‌ی دیگر این است که کهکشان‌های UDG نوعی کهکشان به اصطلاح “ناموفق” هستند. در این نوع کهکشان‌ها، بازخوردهای شدید ابرنواختری و ستاره‌های جوان مانع از شکل‌گیری جمعیت نرمال ستاره‌ای می‌شود. البته بیشتر تحقیقات، سناریوی اخیر را تایید می‌‌کنند، چرا که مشاهده شده است که UDGها دارای جمعیت‌های پرباری از خوشه‌های غیرعادی و سنگین ستاره‌ا‌ی هستند. اما از طرف دیگر وجود این خوشه‌های سنگین ستاره‌ای در یک کهکشان می‌تواند دلیلی بر وجود مقدار زیاد ماده‌ی تاریک در این کهکشان‌ها باشد.

“یک استثنا، دو مورد در یک جمعیت”

در حال حاضر، تیم ون‌داکوم یک کهکشان جدید با ماده تاریک کم NGC 1052-DF4 را کشف کردند. پس از پیدا کردن DF4 تصاویر آرایه سنجاقک، تیم این تصاویر را با تلسکوپ فضایی هابل و طیف سنجی تلسکوپ کک در هاوایی بررسی کرد.

تصویری که توسط آرایه تلسکوپی سنجاقک گرفته شده است، اجسامی را در میدان دید کهکشان NGC 1052 (مرکز) نشان می‌دهد. در میان این اشیاء DF2 (پایین سمت چپ) و DF4 (بالا سمت راست)؛ هر دو کهکشانی با مقدار ماده تاریک کمی هستند که در اندازه، روشنایی، مورفولوژی، جمعیت خوشه کروی و پراکندگی سرعت مشابه هستند.

1. van Dokkum (Yale University) / STScI / ACS

DF4  مشابه DF2 است: این کهکشان تقریبا همان اندازه و روشنایی را دارد، و همچنین دارای مجموعه‌ای از خوشه‌های کروی غیرمعمول است. به نظر میرسد مانند DF2، DF4 عدد جرمی برابر با جرم ستاره‌های خود داشته باشد و بار دیگر نیاز به ماده تاریک را نادیده بگیرد.

این مطالعه در نشریه Astrophysical Journal در تاریخ 20 مارس منتشر شده است.

کشف دوم کهکشان با ماده تاریک کم، برای اولین بار اعتبار پیدا میکند، و نه تنها به این دلیل که نمونه‌ دیگری از این نوع کهکشان پیدا شده است. ون‌داکوم و همکارانش پیشنهاد اندازه‌گیری جرم DF4 را توسط اندازه‌گیری سرعت ستارگان در کهکشان خودشان را دادند. هیچ کدام از تلسکوپهای سنجاقک، هابل، و کک نمی‌توانند ستاره‌های ضعیف، دور را ببینند؛ در عوض، ستاره‌شناسان از کک برای انتخاب نور منتشر شده ستاره استفاده کردند، مانند ستاره‌هایی که در زیر آسمان تاریک دیده می‌شوند و می‌توانند درخشندگی ملایم میلیاردها ستاره در کهکشان ما را ببینند.

با اندازه‌گیری سرعت نور منتشر شده، ستاره‌شناسان جرم‌هایی را که قبل از آن تخمین زده بودند تایید کردند. تیم، این بار به رهبری Shany Danieli نور منتشر شده  DF2 را اندازه‌گیری کردند، همچنین مقدار کم آن را تأیید کردند. نتایج به روز شده DF2 در تاریخ 1 آوریل منتشر شده است.

میشل کالینز (دانشگاه سوری، انگلستان) می‌گوید: “من فکر می‌کنم که واقعا علتی برای پراکندگی سرعت کم (و در نتیجه جرم کرم) وجود دارد. او در مورد DF2 در زمانی که کشف شد، شک و تردید داشت، اما او می‌گوید: “من قطعا در مورد احتمال وجود آمار بیشتری از این نوع کهکشانها نگران نیستم.”

با این وجود هنوز کارهایی باید انجام شود. بسیاری از شواهد حقیقی نشان می‌دهد که DF2 و DF4 متعلق به خوشه کهکشان‌های اطراف NGC 1052 هستند، اما همه متقاعد نشده‌اند.

کالینز ادامه می‌دهد: بین DF2 و DF4 فاصله وجود است. اگر آنها واقعا نزدیک بودند، کهکشانها خیلی شبیه هم به نظر میرسیدند و مقدار معمولی ماده تاریک را داشتند. بدون اطلاعات بیشتر، این تخمین فاصله بسیار نامفهوم است، بنابراین من صادقانه مطمئن نیستم چه انتظاری از این امر دارم. مشاهدات هابل که در ماه ژوئیه یا اوت انجام می‌شود، باید یک بار و برای همیشه مسائل فاصله را حل کند.

کهکشانهای غول پیکر

پس چرا NGC 1052-DF2 و DF4 به نظر بسیار متفاوتتر از بیشتر کهکشان‌های به شدت پخشی دیده شده در نزدیکی خوشه کاما دیده می‌شوند؟ در میان هزاران کهکشان مانند این که در آنجا پنهان شده‌اند، بیشتر آنها غنی از ماده تاریک هستند و تا 98 درصد جرم آنها را ماده”تاریک” تشکیل می‌دهد.

کالینز می‌گوید: “در این میان، من معتقد هستم که تعدادی از کهکشانهای به شدت پخشی وجود دارد که دارای مقادیر معمولی از ماده تاریک نیز هستند.”

خوشه ستاره‌ای کما

Adam Block / Mount Lemmon SkyCenter / University of Arizona

DF2 و DF4 دارای یک ویژگی مشترک با کهکشانهای خوشه کما هستند: غلبه بر شواهد خوشه‌های کروی. در سال 2017، ون داکوم و همکارانش دریافتند که بیش از نیمی از کهکشان‌های به شدت پخشی در کاما دارای خوشه‌های کروی بیشتر از حد انتظار هستند. این شهرهای ستاره‌ای باستانی میلیاردها سال پیش متولد شده‌اند و احتمالا سرنخ‌هایی در مورد تولد و تکامل کهکشان‌ها دارند – هنوز مشخص نیست که چگونه کهکشانها و خوشه‌های کروی آنها با هم مرتبط هستند.

پاول منسرا پنیا (ASTRON و دانشگاه گرونینگن، هلند) و همکارانش اخیرا تحقیق زیادی راجع به هشت نمونه کهکشان را انجام دادند و به دنبال یافتن کهکشانهای به شدت پخشی فراوانی بودند که نتیجه این تحقیق کشف 442 کهکشان بسیار ضعیف بود. این گروه متوجه شد که بیشتر این کهکشان‌ها زمانی که نزدیک مراکز خوشه هستند، بیشتر به رنگ قرمز هستند، که نشان می‌دهد که محیط خوشه‌ای مواد مورد نیاز برای ایجاد ستاره‌های جدید (و آبی) را از بین برده است.

این مطالعه که در شماره ماه می ماهانه انجمن سلطنتی نجومی منتشر شده است، نشان می‌دهد که کهکشان‌های به شدت پخشی کوتوله‌های عمدتا بزرگ هستند: آنها دارای مقادیر طبیعی ستاره برای کهکشان‌های کوتوله هستند، فقط این که آنها غیرعادی بزرگ هستند. این توضیح، با نظریه “کهکشان ناموفق”  که ون‌داکوم و دیگران به آن اعتقاد دارند، تغایر دارد.

کولینز یادآور می‌شود که تعریف کهکشانهای به شدت پخشی بسیار گسترده است. “با توجه به محدوده وسیعی از ویژگی‌های مجاز توسط تعریف فعلی، من فکر می‌کنم احتمالا بیشتر از یک نوع” کهکشان “در این تعریف وجود دارد.”

گروه پنیا همچنان یک سری مطالعات در مورد جمعیت کهکشانهای به شدت پخشی را دنبال می‌کنند، تیم سنجاقک هنوز هم برای یافتن کهکشانهای با ماده تاریک کم، می‌باشد.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Why Are Two Ghost Galaxies Missing Dark Matter?

By: Monica Young | April 5, 2019

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/ghost-galaxies-missing-dark-matter/

4