کهکشان دوگانه اخترشناسان هابل را مسحور می‌کند
ستاره‌شناسان چیزهای بسیار عجیب و غریبی را مشاهده کرده‌اند که در سراسر جهان وسیع ما ، از انفجار ستارگان گرفته تا برخورد کهکشان‌ها پراکنده شده‌اند. بنابراین، شما فکر می‌کنید وقتی آنها یک جرم آسمانی عجیب را می‌بینند، می‌توانند آن را شناسایی کنند.
اما تلسکوپ فضایی هابل ناسا یک جفت جرم مشابه را کشف کرد که بسیار عجیب به نظر می‌رسند، اخترشناسان چندین سال به طول انجامید تا تعیین کنند که آنها چه چیزی هستند.
این تصویر لحظه‌ای از تلسکوپ فضایی هابل، سه تصویر بزرگنمایی شده از یک کهکشان دور را نشان می‌دهد که در خوشه‌ای از کهکشان‌ها تعبیه شده است. این تصاویر با ترفندی از طبیعت به نام لنز گرانشی تولید می‌شوند. گرانش بسیار زیاد خوشه کهکشانی، نور کهکشان دور و پشت سری خود را بزرگنمایی و تحریف می‌کند و تصاویر متعددی را ایجاد می‌کند. خوشه کهکشانی که با عنوان SDSS J223010.47-081017.8 ثبت شده است، 7 بیلیون سال نوری از زمین فاصله دارد. تلسکوپ هابل بسیاری از کهکشانهای دارای لنز گرانشی را مشاهده کرده است. با این حال، تصاویر مشاهده شده در این تصویر فوری هابل بی‌نظیر هستند. دو تصویر بزرگنمایی شده که در قسمت پایین سمت راست نشان داده شده است، کپی یکدیگر هستند. دو بیضی درخشان هسته کهکشان هستند. این پدیده نادر به این دلیل رخ می‌دهد که تصویر کهکشان پس‌زمینه در امتداد یک موج در بافت فضا قرار دارد. این “موج” منطقه بزرگترین بزرگنمایی است که ناشی از گرانش مقادیر متراکم ماده تاریک است (برداشت مترجم: ماده‌ی تاریک آن منطقه از فضا موجب تغییر شکل در حرکت نور در فضا شده که منجر به تولید این تصاویر عجیب از کهکشان شده که خود نشان‌دهنده‌ی جرم عظیمی از ماده‌ی تاریک ما بین ما و آن کهکشان است)، چسب نامرئی که بیشتر جرم جهان را تشکیل می‌دهد( ماده‌ی تاریک). در حالی که نور کهکشان دور از خوشه در امتداد این موج عبور می‌کند، دو تصویر آینه‌ای تولید می‌شود، به همراه تصویر سومی که می‌توان آن را در کنار خود مشاهده کرد. نمای نزدیک تصویر سوم در قسمت بالا سمت راست نشان داده شده است. این تصویر بیشترین شباهت را به کهکشان راه دور دارد که در فاصله بیش از 11 بیلیون سال نوری ما قرار دارد. براساس بازسازی این تصویر، محققان دریافتند کهکشان دوردست به شکل مارپیچی حاشیه‌دار با شکل‌گیری مداوم و توده‌ای از ستاره به نظر می‌رسد. تصاویر آینه‌ای به عنوان اخترشناسی که آنها را کشف کرده است “شیء همیلتون” نامگذاری شده است.
تیموتی همیلتون، ستاره‌شناس دانشگاه ایالتی شاونی در پورتسموث، اوهایو گفت: “ما واقعاً گیج شده بودیم.”( که این شیی چیست و چه توجیه فیزیکی دارد.)
اجسام عجیب و غریب شامل یک جفت برجستگی کهکشان (در هسته یا مرکز پر از ستاره مرکزی یک کهکشان) و حداقل سه رگه شکاف تقریباً موازی است (سایر قسمتهای کهکشان). همیلتون آنها را به طور تصادفی هنگام استفاده از هابل برای بررسی مجموعه‌ای از اختروش‌ها، هسته‌های درخشان کهکشانهای فعال، مشاهده کرد.
پس از تعقیب نظریه‌های به بن بست رسیده، درخواست کمک از همکاران و تلاش بی‌وقفه، همیلتون و تیم در حال ارتقا و رشد ، به سرپرستی ریچارد گریفیتس از دانشگاه هاوایی در هیلو، سرانجام همه سرنخ‌ها را برای حل این معما جمع‌آوری کردند.
اجسام خطی تصاویری کشیده از یک کهکشان دوردست گرانشی بودند که در فاصله بیش از 11 بیلیون سال نوری ما قرار داشتند و به نظر می‌رسید که آنها تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند.( مترجم: ناشی از حرکت نور حول یک جرم زیاد که همان ماده‌ی تاریک است و سبب تولید تصاویر آینه‌ای گشته است).
این تیم کشف کرد که گرانش عظیم یک خوشه کهکشانی در حال مداخله و بدون دلیل، فضا را پیچ و تاب می‌دهد، بزرگنمایی، روشنایی و کشش تصویر یک کهکشان دوردست را در پشت خود ایجاد می‌کند، یا پدیده‌ای به نام عدسی گرانشی اصطلاحا گفته می‌شود . اگرچه نظرسنجی‌های هابل بسیاری از این تحریفات funhouse-mirror را که ناشی از لنزهای گرانشی است نشان می‌دهد، اما این جسم به طور منحصر به فردی گیج کننده بود.
در این حالت، یک تراز دقیق بین یک کهکشان پس‌زمینه و یک خوشه کهکشانی پیش زمینه، دو کپی بزرگنمایی شده از تصویر مشابه از کهکشان راه دور ایجاد می‌کند. این پدیده نادر به این دلیل رخ می‌دهد که کهکشان پس‌زمینه در امتداد یک موج در بافت فضا قرار دارد. این “موج” منطقه‌ای است با بزرگترین بزرگنمایی که ناشی از گرانش مقادیر متراکم ماده تاریک است، چسب نامرئی که بیشتر جرم جهان را تشکیل می‌دهد. در حالی که نور کهکشان دور از خوشه در امتداد این موج عبور می‌کند، دو تصویر آینه‌ای تولید می‌شود، به همراه تصویر سومی که می‌توان آن را در کنار خود مشاهده کرد.
گریفیتس این تأثیر را با الگوهای موج‌دار درخشان مقایسه می‌کند که در کف استخر مشاهده می‌شود او توضیح داد: “به سطح موج‌دار استخر در یک روز آفتابی فکر کنید که الگوهای نور روشن را در قسمت پایین استخر نشان می‌دهد.” “این الگوهای روشن در پایین ناشی از نوع مشابهی از لنزهای گرانشی است. امواج روی سطح به عنوان عدسی‌های جزئی عمل می‌کنند و نور خورشید را به شکل الگوهای براق و روشن در قسمت پایین متمرکز می‌کنند.”
در کهکشان دوردست لنز گرانشی، موج با بزرگنمایی زیاد و تحریف و شکست نور از کهکشان پس‌زمینه‌ای ایجاد می‌کند که از خوشه عبور می‌کند. موج مانند یک آینه منحنی ناقص عمل می‌کند که کپی‌های دوگانه را تولید می‌کند.
حل معما
اما هنگامی که همیلتون ویژگیهای خطی عجیب و غریب را در سال 2013 مشاهده کرد، این پدیده نادر شناخته شده نبود.
هنگامی که او به تصاویر اختروش نگاه می‌کرد، عکس فوری تصاویر آینه‌ای و رگه‌های موازی(نوری) خودنمایی می‌کرد که همیلتون و همین‌طور هیچ کدام از اعضای تیم هرگز مشابه آن را ندیده بود.
همیلتون می‌گوید: اولین فکر من این بود که شاید آنها در حال تعامل (یا آمیختگی) با کهکشان‌ها با بازوهای کشیده هستند واقعاً خوب نبود، اما نمی‌دانستم به چه چیز دیگری فکر کنم.
بنابراین همیلتون و تیم تلاش خود را برای حل رمز و راز این خطوط وسوسه‌انگیز مستقیم آغاز کردند، که بعداً به عنوان شیء همیلتون برای کاشف آن لقب گرفت. آنها این تصویر عجیب را در همایش‌های نجوم به همکاران نشان دادند که واکنش‌های مختلفی را از رشته‌های کیهانی گرفته تا سحابی‌های سیاره‌ای به دنبال داشت.
اما سپس گریفیتس، که عضو تیم اصلی نبود، هنگامی که همیلتون تصویر آن را در جلسه ناسا در سال 2015 به او نشان داد، محتمل‌ترین توضیح را ارائه داد. این تصویر بزرگنمایی شده و تحریف شده ناشی از پدیده لنزی بود، مشابه آنچه در هابل مشاهده شد. تصاویری از خوشه‌های کهکشانی دیگر که تصاویری از کهکشانهای بسیار دور را تقویت می‌کنند. گریفیتس این ایده را هنگامی که از یک شیء خطی مشابه در یکی از بررسی‌های خوشه‌ای عمیق هابل مطلع شد، تأیید کرد.
با این حال، محققان هنوز مشکلی داشتند. آنها نتوانستند خوشه عدسی را شناسایی کنند. به طور معمول، ستاره‌شناسانی که خوشه‌های کهکشانی را مطالعه می‌کنند، ابتدا خوشه پیش‌زمینه‌ای را می‌بینند که باعث تشکیل لنز می‌شود و سپس تصاویر بزرگنمایی کهکشانهای دور را در درون خوشه پیدا می‌کنند. با جستجوی تصاویرSloan Digital Sky Survey مشخص شد که یک خوشه کهکشانی در همان منطقه بزرگنمایی شده قرار دارد، اما در هیچ نظرسنجی فهرست شده‌ای نشان داده نشده است. با این وجود، این واقعیت که تصاویر عجیب در مرکز یک خوشه بودند، برای گریفیتس روشن کرد که خوشه در حال تولید تصاویر لنز شده است.
گام بعدی محققان تعیین این بود که آیا سه تصویر لنزی در یک فاصله هستند و بنابراین همه پرتره‌های مخدوش یک کهکشان دور هستند. اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی با رصدخانه Gemini و W. M. Keck در هاوایی به محققان در تأیید این امر کمک کرد و نشان داد که تصاویر لنز شده از یک کهکشان رویداده که بیش از 11 بیلیون سال نوری از ما فاصله دارد.
تقریبا همزمان با مشاهدات طیف‌سنجی توسط گریفیتس و دانشجویان کارشناسی در هیلو، گروهی جداگانه از محققان در شیکاگو خوشه را شناسایی کرده و فاصله آن را با استفاده از داده‌های اسلون اندازه‌گیری کردند. این خوشه بیش از 7 بیلیون سال نوری از ما فاصله دارد.
اما با اطلاعات بسیار کمی در مورد خوشه، تیم گریفیتس هنوز با نحوه تفسیر این اشکال لنزهای غیرمعمول دست و پنجه نرم می‌کردند. گریفیتس توضیح داد: این عدسی گرانشی با بسیاری از لنزهایی که قبلاً توسط هابل مورد مطالعه قرار گرفته بود، به ویژه در بررسی خوشه‌ها درHubble Frontier Fields بسیار متفاوت است. برای یافتن عدسی‌های زیاد لازم نیست مدت زیادی به آنها خیره شوید. در این شیءنمایان، این تنها لنز ما است و ما حتی در ابتدا از خوشه خبری نداشتیم.
ترسیم ناشناخته‌ها و نادیدنی‌ها
آن زمان بود که گریفیتس با یک متخصص در زمینه نظریه عدسی گرانشی، جنی واگنر از دانشگاه هایدلبرگ آلمان تماس گرفت. واگنر اشیاء مشابهی را مطالعه کرده بود و با همکارش نیکلاس تسور، هم اکنون در دانشگاه منچستر در انگلستان، نرم افزار رایانه‌ای را برای تفسیر لنزهای منحصر به فرد مانند این ایجاد کرد. نرم‌افزار آنها به تیم کمک کرد تا بفهمند چگونه هر سه تصویر لنز شده به وجود آمده‌اند. آنها به این نتیجه رسیدند که ماده تاریک اطراف تصاویر کشیده شده باید به طور”هموار و پیوسته” در مقیاس کوچک در فضا توزیع شود.
واگنر می‌گوید: این بسیار عالی است که ما فقط به دو تصویر آینه‌ای نیاز داریم تا بتوانیم میزان توده یا ناهمواری ماده تاریک در این موقعیت‌ها را بدست آوریم. در اینجا، ما از هیچ مدل لنزی استفاده نمی‌کنیم. ما فقط تصاویر قابل مشاهده از چندین تصویر را در نظر می‌گیریم و این واقعیت را می‌توان به یکدیگر تبدیل کرد. آنها می‌توانند با روش ما به یکدیگر ربط داده شوند. این به ما این ایده را می‌دهد که چقدر ماده تاریک باید در این دو موقعیت صاف یک دست و پیوسته و تخت باشد.
گریفیث گفت، این نتیجه مهم است، زیرا ستاره‌شناسان تقریباً یک قرن پس از کشف آن هنوز نمی‌دانند ماده تاریک چیست. ما می‌دانیم که این نوعی ماده است، اما هیچ نظری نداریم که ذره تشکیل دهنده آن چیست. بنابراین ما نمی‌دانیم که چگونه رفتار می‌کند. ما فقط می‌دانیم که جرم دارد و در معرض گرانش است. اهمیت محدودیت‌ها از نظر اندازه توده یا صاف بودن این است که به ما سرنخ هایی درباره اینکه ذره چه چیزی می‌تواند به ما بدهد. هرچه ماده تاریک کوچکتر شود، جرم بیشتر باید باشد.
مقاله تیم در شماره ماه سپتامبر The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society چاپ شده است.
مترجم : مرتضی نادری فرد
منبع :
’Double’ Galaxy Mystifies Hubble Astronomers
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/double-galaxy-mystifies-hubble-astronomers