آیا ماده تاریک واقعا وجود دارد، یا اینکه ما گرانش را اشتباه درک کرده‌ایم؟

در مرکز تصویر کهکشان بیضوی NGC5982 و در سمت راست کهکشان مارپیچی NGC5985 قرار دارد. این دو نوع کهکشان در مورد جاذبه اضافی – و بنابراین احتمالاً ماده تاریک – در مناطق خارجی خود رفتارهای بسیار متفاوتی دارند. اعتبار: بارت دلسارت (www.delsaert.com)

اکنون سالهاست که ستاره‌شناسان و فیزیکدانان در این مورد اختلاف نظر دارند. آیا ماده تاریک مرموزی که در اعماق جهان مشاهده می‌کنیم واقعی است یا چیزی که می بینیم همانطور که آنها را می‌شناسیم، نتیجه انحرافات ظریف از قوانین گرانش است ؟ در سال 2016، اریک ورلیند فیزیکدان هلندی نظریه‌ای را ارائه داد: ظهور گرانش. تحقیقات جدید، منتشر شده در نجوم و اخترفیزیک این هفته، محدودیت مشاهدات ماده تاریک را به مناطق ناشناخته خارجی کهکشان‌ها منتقل می‌کند و با این کار چندین مدل ماده تاریک و نظریه‌های جایگزین گرانش را دوباره ارزیابی می‌کند. اندازه‌گیری جاذبه 259000 کهکشان جدا شده رابطه بسیار نزدیک بین سهم ماده تاریک و ماده معمولی را نشان می‌دهد، همانطور که در نظریه ظهور گرانش ورلیند و یک مدل جایگزین به نام دینامیک اصلاح شده نیوتنی پیش‌بینی شده است. با این حال، به نظر می‌رسد نتایج با شبیه‌سازی رایانه‌ای جهان موافق است که ماده تاریک را “چیزهای واقعی” فرض می‌کند.

تحقیقات جدید توسط یک تیم بین‌المللی از ستاره‌شناسان به سرپرستی مارگوت بروور (RUG و UvA) انجام شده است. کایل امان (RUG و دانشگاه دورهام) و ادوین والنتین (RUG) نقش‌های مهم دیگری را ایفا کردند. در سال 2016، بروور اولین آزمایش ایده‌های ورلیند را نیز انجام داد. این بار، ورلیند خود نیز به تیم تحقیقاتی پیوست.

ماده یا گرانش؟

تاکنون ماده تاریک هرگز به طور مستقیم مشاهده نشده است. آنچه ستاره‌شناسان در آسمان شب مشاهده می‌کنند پیامدهای ماده‌ای است که بالقوه وجود دارد: خم شدن نور ستاره، ستاره‌هایی که سریعتر از حد انتظار حرکت می‌کنند و حتی تأثیرات آن بر حرکت کل کهکشانها. بدون شک همه این تأثیرات ناشی از گرانش است، اما سوال این است: آیا ما واقعاً گرانش اضافی را مشاهده می‌کنیم، ناشی از ماده نامرئی است، یا قوانین گرانش خود چیزی هستند که ما هنوز به طور کامل درک نکرده‌ایم؟

برای پاسخ به این سوال، تحقیق جدید از روشی مشابه روش اصلی در سال 2016 استفاده کرده است. بروور و همکارانش از یک سری اندازه‌گیری‌هایی که ده سال پیش آغاز شده استفاده می‌کنند: KiloDegree Survey (KiDS)، با استفاده از تلسکوپ VLT Survey ESO در شیلی. در این مشاهدات، نحوه خمش نور ستاره از کهکشانهای دور توسط گرانش در مسیر رسیدن به تلسکوپهای ما اندازه‌گیری می‌شود.

تست مقایسه‌ای

بروور و همکارانش بیش از 259000 کهکشان را انتخاب کردند که قادر به اندازه‌گیری به اصطلاح “ارتباط شتاب شعاعی” (RAR) بودند. این RAR میزان گرانش موردانتظار را براساس ماده قابل مشاهده در کهکشان با مقدار گرانشی مقایسه می‌کند که در واقع وجود دارد – به عبارت دیگر: نتیجه نشان می‌دهد که گرانش “اضافی” چقدر است، علاوه بر این به دلیل طبیعی بودن موضوع، تاکنون مقدار گرانش اضافی فقط در مناطق بیرونی کهکشانها با مشاهده حرکت ستارگان و در منطقه‌ای حدوداً پنج برابر بیشتر با اندازه‌گیری سرعت چرخش گاز سرد مشخص شده بود. با استفاده از اثرات عدسی گرانشی، محققان اکنون قادر به تعیین RAR در مقاومت گرانشی صد برابر کوچکتر بودند که به آنها امکان نفوذ در عمق بیشتری از مناطق خارج از کهکشان‌ها را می‌دهد.

این امکان را فراهم آورد تا گرانش اضافی به طور دقیق اندازه‌گیری شود – اما آیا این گرانش نتیجه ماده تاریک نامرئی است، یا ما باید درک خود از گرانش را بهبود ببخشیم؟ نویسنده کایل امان اظهار داشت که فرض “چیزهای واقعی” حداقل تا حدی به نظر می‌رسد که کارساز است: “در تحقیقات ما، اندازه‌گیری‌ها را با چهار مدل مختلف نظری مقایسه می‌کنیم: دو مدل که وجود ماده تاریک را فرض می‌کنند و پایه شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای جهان ما و دو قانونی که قوانین جاذبه را اصلاح می‌کنند – مدل ظهور گرانش اریک ورلیند و اصطلاحاً “دینامیک اصلاح شده نیوتنی” یا MOND. یکی از دو شبیه‌سازی ماده تاریک، MICE، پیش‌بینی‌هایی را ارائه می‌دهد که با اندازه‌گیری‌های ما مطابقت دارد. برای ما تعجب‌آور بود که شبیه‌سازی دیگر، BAHAMAS، منجر به پیش‌بینی‌های بسیار متفاوتی شد. اینکه پیش‌بینی‌های این دو مدل با یکدیگر کاملاً متفاوت بود، از قبل تعجب‌آور بود، زیرا مدل‌ها بسیار شبیه به هم هستند. اما علاوه بر این، انتظار داشتیم که اگر مدل باهاماس بسیار نسبت به MICE دقیق‌تر است و به درک فعلی ما از نحوه شکل‌گیری کهکشان‌ها در جهان با ماده تاریک نزدیک می شود. هنوز هم، اگر پیش‌بینی‌های آن را با اندازه‌گیری‌های خود مقایسه کنیم، MICE عملکرد بهتری دارد. در آینده، براساس یافته‌های ما، می‌خواهیم بیشتر بررسی کنیم که چه چیزی باعث تفاوت بین شبیه‌سازی‌ها می‌شود.”

نمودار رابطه شتاب شعاعی (RAR). پس زمینه تصویری از کهکشان بیضوی M87 است که فاصله تا مرکز کهکشان را نشان می‌دهد. این طرح نشان می‌دهد که چگونه اندازه‌گیری‌ها از شتاب گرانشی بالا در مرکز کهکشان گرفته تا شتاب جاذبه کم در مناطق بیرونی دور است. اعتبار: Chris Mihos (دانشگاه Case Western Reserve) / ESO

کهکشان‌های پیر و جوان

مدل‌های جایگزین گرانش نیز RAR اندازه‌گیری شده را پیش‌بینی می‌کنند. چگونه می‌توان فهمید که کدام مدل صحیح است؟ مارگوت بروور، که تیم تحقیق را هدایت می‌کند، ادامه می‌دهد: “براساس آزمایشات ما، نتیجه اصلی ما این بود که دو مدل جاذبه جایگزین با مشاهدات کاملا منطبق بودند. با این حال، هیجان‌انگیزترین قسمت هنوز در دسترس نبود: به بیش از 259000 کهکشان، ما می‌توانیم آنها را به چندین نوع کهکشان تقسیم کنیم. این کهکشانها به روشهای بسیار متفاوتی بوجود می‌آیند: کهکشانهای بیضوی قرمز هنگام تعامل کهکشانهای مختلف تشکیل می‌شوند، به عنوان مثال وقتی دو کهکشان مارپیچی آبی‌رنگ از کنار یکدیگر عبور می‌کنند یا حتی به هم برخورد می‌کنند. در نتیجه، انتظار ما از تئوری ذرات ماده تاریک این است که نسبت بین ماده منظم و تاریک در انواع مختلف کهکشانها متفاوت باشد. از طرف دیگر مدلهایی مانند نظریه ورلیند و MOND از ذرات ماده تاریک استفاده نمی‌کنند و بنابراین نسبت ثابتی را که انتظار می‌رود و اندازه‌گیری شده در دو نوع کهکشان – یعنی مستقل از نوع آنها – پیش‌بینی می‌کنند. بروور: “ما کشف کردیم که RARها برای دو نوع کهکشان به طور قابل توجهی متفاوت است. این می‌تواند اشاره‌ای جدی به وجود ماده تاریک به عنوان یک ذره باشد.”

با این حال، یک هشدار وجود دارد: گاز. بسیاری از کهکشان‌ها احتمالاً توسط ابر پراکنده گازی داغ احاطه شده‌اند که مشاهده آن بسیار دشوار است. اگر اینگونه باشد که به سختی گاز در اطراف کهکشانهای مارپیچی جوان وجود دارد، اما کهکشانهای بیضوی قرمز و قدیمی در ابر بزرگی از گاز زندگی می‌کنند – تقریباً به همان جرم همان ستاره‌ها – پس این می‌تواند علت تفاوت در RAR را توضیح دهد. برای رسیدن به قضاوت نهایی بین دو نوع در مورد اختلاف اندازه‌گیری شده، لازم است مقادیر گاز منتشر شده را نیز اندازه‌گیری کنید – و این دقیقاً همان چیزی است که با استفاده از تلسکوپهای KiDS امکان‌پذیر نیست. اندازه‌گیری‌های دیگری نیز برای گروه کوچکی از حدود صد کهکشان انجام شده است و این اندازه‌گیری‌ها واقعاً گاز بیشتری را در کهکشانهای بیضوی پیدا کرده‌اند، اما هنوز مشخص نیست که این اندازه‌گیری‌ها برای 259000 کهکشان که در تحقیقات فعلی بررسی شده‌اند، چقدر صادق هستند.

پیروزی ماده تاریک؟

اگر معلوم شود که گاز اضافی نمی‌تواند تفاوت بین دو نوع کهکشان را توضیح دهد، در نتیجه نتایج اندازه‌گیری‌ها از نظر ذرات ماده تاریک آسان‌تر از مدل‌های جاذبه جایگزین است. اما حتی در آن زمان نیز هنوز موضوع حل نشده است. در حالی که توضیح تفاوت‌های اندازه‌گیری شده با استفاده از MOND دشوار است، اریک ورلیند هنوز راهی برای مدل خود می‌بیند.

بنابراین، حتی پس از اندازه‌گیری‌های جدید، اختلاف بین ماده تاریک و نظریه‌های جاذبه جایگزین هنوز حل نشده است. هنوز نتایج جدید یک گام بزرگ به جلو است: اگر اختلاف گرانش اندازه‌گیری شده بین دو نوع کهکشان صحیح باشد، مدل نهایی، هر کدام که باشد، باید به اندازه کافی دقیق باشد تا این تفاوت را توضیح دهد. این به ویژه به این معنی است که بسیاری از مدلهای موجود را می‌توان کنار گذاشت، که به طور قابل توجهی امکان توضیحات احتمالی را کم می‌کند. علاوه بر این، تحقیقات جدید نشان می‌دهد که اندازه‌گیری سیستماتیک گاز داغ اطراف کهکشان‌ها ضروری است. ادوین والنتین: “ما به عنوان ستاره‌شناسان، به نقطه‌ای رسیده‌ایم که می‌توانیم گرانش اضافی اطراف کهکشانها را دقیق‌تر از مقدار ماده مرئی اندازه‌گیری کنیم. نتیجه‌گیری این است که ابتدا باید وجود ماده معمولی به شکل گاز داغ در اطراف کهکشانها، قبل از اینکه تلسکوپ‌های آینده مانند اقلیدس سرانجام بتوانند رمز و راز ماده تاریک را حل کنند. ”

 ترجمه سارا سیدحاتمی

منبع:

Is dark matter real, or have we misunderstood gravity?

by University of Amsterdam

https://phys.org/news/2021-06-dark-real-misunderstood-gravity.html