چند هاله ماده تاریک ممکن است مانند تخم‌مرغ‌های توخالی عید پاک، در سراسر کیهان غلت بخورند

جهان ممکن است پر از هاله‌های ماده تاریک باشد که هیچ کهکشانی درون آن‌ها نیست.

دانشمندان مدتی است که به یک پرسش عجیب فکر می‌کنند: آیا کهکشان‌هایی وجود دارند که فاقد هاله‌ی ماده تاریک باشند؟ اما پژوهش جدیدی این پرسش را وارونه مطرح کرده و بررسی می‌کند که آیا ممکن است برخی هاله‌های ماده تاریک وجود داشته باشند که در مرکز خود هیچ کهکشانی نداشته باشند – مانند تخم‌مرغ‌های عید پاک توخالی که در پهنه‌ی کیهان سرگردان‌اند.

در نظریه‌ها، کهکشان‌ها و ماده تاریک ارتباط نزدیکی با هم دارند، زیرا باور بر این است که کهکشان‌ها زمانی شکل می‌گیرند که گاز و غبار به درون چاه‌هایی در فضا سرازیر می‌شوند، و این چاه‌ها حاصل تأثیر گرانشی توده‌های ماده تاریک‌اند. با تجمع جرم در این چاه‌ها، ستارگان شکل می‌گیرند. این روند به‌تدریج باعث «رشد» کهکشان می‌شود و پس از میلیون‌ها سال، آن کهکشان درون یک حباب ماده تاریک قرار می‌گیرد.

اما ایتن ندلر، اخترفیزیکدان محاسباتی در دانشگاه کالیفرنیا، سن‌دیگو، در حال بررسی امکان وجود هاله‌های ماده تاریکی است که هیچ کهکشانی در آن‌ها شکل نگرفته باشد. همه‌چیز از آنجا آغاز شد که او جرم بحرانی‌ای را محاسبه کرد که زیر آن، یک هاله توان شکل‌دادن به ستاره را ندارد.

او گفت: «تمام کهکشان‌هایی که تا به حال مشاهده کرده‌ایم، با این فرض سازگارند که درون یک هاله‌ی ماده تاریک قرار دارند. اما نمی‌دانیم آیا هاله‌هایی از ماده تاریک وجود دارند که نتوانسته‌اند هیچ ستاره‌ای بسازند. به بیان دیگر، نمی‌دانیم آیا هاله‌هایی کاملاً تاریک و بدون ستاره وجود دارند یا نه.»

پیش‌تر تصور می‌شد حد پایینی جرم برای شکل‌گیری ستاره بین ۱۰۰ میلیون تا ۱ میلیارد جرم خورشیدی است. این بدان معنا بود که تنها هاله‌هایی در همین حدود جرم، می‌توانند «تاریک» باقی بمانند و ستاره‌ای نسازند، که وجود چنین هاله‌هایی را کمیاب جلوه می‌داد. اما ندلر اکنون یک حد پایین‌تر تازه برای جرم ستاره‌زایی شناسایی کرده که نشان می‌دهد هاله‌های ماده تاریک «تاریک» می‌توانند بسیار بیشتر از آنچه پیش‌تر تصور می‌شد، رایج باشند. در واقع، او پیشنهاد می‌کند نسخه‌های کم‌جرم‌تر این هاله‌ها حتی مورد پسند مدل‌های کیهان‌شناسی نیز هستند.

یکی از عناصر کلیدی برای شکل‌گیری ستاره، هیدروژن است – سبک‌ترین و بنیادی‌ترین عنصر در کیهان. ندلر توضیح داد که تلاش‌های پیشین برای تعیین حد پایین جرم برای ستاره‌زایی تنها بر اساس خنک شدن ساده‌ترین شکل هیدروژن (یک الکترون و یک پروتون) صورت گرفته بود. اما وقتی خنک شدن مولکول‌های هیدروژن (دو اتم هیدروژن پیوند خورده) در نظر گرفته شد، مشخص شد ستاره‌ها می‌توانند در هاله‌هایی به جرم تنها یک میلیون جرم خورشیدی، حدود یک میلیارد سال پس از مهبانگ شکل بگیرند — یعنی بسیار کمتر از برآوردهای پیشین.

این هاله‌ها در گذر زمان با جذب ماده تاریک بیشتر رشد می‌کردند و امروزه می‌توانند جرمی تا حدود ۱۰ میلیون جرم خورشیدی داشته باشند. حتی هاله‌های کوچک‌تر از این نیز ممکن بود از نظر جرم رشد کرده باشند، اما شکل‌گیری ستاره در آن‌ها به دلیل تابش‌های دریافتی از کهکشان‌های دیگر که موفق‌تر بوده‌اند، متوقف شده است.

ندلر می‌گوید: «از منظر نظری، بیشتر مدل‌های ماده تاریک پیش‌بینی می‌کنند که تعداد هاله‌های کوچک بسیار بیشتر از هاله‌های بزرگ است، بنابراین از این نظر، احتمالاً تعداد زیادی از هاله‌های بدون ستاره وجود دارد.»

اینشتین، روشنایی‌بخش هاله‌های ‘تاریکِ تاریک‘

بر اساس فرضیه‌ها، ماده تاریک حدود پنج برابر بیشتر از ماده‌ی معمولی در جهان وجود دارد. به‌عبارتی، تمام چیزهایی که در اطراف خود می‌بینیم – از ستاره‌ها و سیارات گرفته تا درخت‌ها، ابرها، خودروها، بدن ما و گربه‌ی همسایه – تنها ۱۵ درصد از جرم کل کیهان را تشکیل می‌دهند.

اما با وجود این گستردگی، ماده تاریک عملاً نامرئی است، زیرا یا اصلاً با نور تعامل ندارد یا تعامل آن بسیار ضعیف است و با ابزارهای ما قابل تشخیص نیست. همچنین، ماده تاریک با ماده معمولی هم برهم‌کنشی ندارد و شواهد قوی‌ای نیز مبنی بر برهم‌کنش درونی ماده تاریک در دست نیست. ولی این بدان معنا نیست که هاله‌های ماده تاریک بدون کهکشان، مانند اشباح عظیم‌الجثه در کیهان سرگردان‌اند.

ماده تاریک جرم دارد، و این یعنی اثر گرانشی دارد — همین اثر است که وجود آن را برای ما قابل استنباط کرده است. بنابراین، حتی اگر این هاله‌های ‘تاریکِ تاریک’ وجود داشته باشند، می‌توانند تأثیر گرانشی بر کیهان امروز بگذارند.

ندلر گفت: «اگرچه هاله‌های بدون ستاره (اگر وجود داشته باشند) میزبان هیچ کهکشانی نیستند، اما همچنان بر ماده تاریک و ماده معمولی تأثیر گرانشی دارند. بنابراین، تعداد و طیف جرمی هاله‌های بدون ستاره برای درک ساختارهای کوچک‌مقیاس کیهان و پویایی گرانشی آن بسیار مهم است.»

اما از دیدگاه رصدی، هنوز شواهد مستقیمی برای وجود هاله‌هایی که زیر آستانه‌ی ستاره‌سازی قرار دارند، در دست نیست. هدف بزرگ بعدی، شناسایی این اجرام است.

شکار این هاله‌های ‘تاریکِ تاریک’ آسان نیست، چرا که ماده تاریک نامرئی است. دانشمندان حضور آن را با مشاهده‌ی تأثیر گرانشی‌اش بر ماده‌ی مرئی – مثل ستارگان، گاز و غبار کهکشانی – تشخیص می‌دهند. ولی وقتی کهکشانی درون هاله‌ای نباشد، هیچ نشانه‌ی مرئی برای تحلیل این تأثیر وجود ندارد؛ جز خود بافت فضا-زمان!

ندلر توضیح داد: «ما نمی‌توانیم مستقیماً به دنبال هاله‌های تاریکِ تاریک بگردیم؛ بلکه باید حضور آن‌ها را از روی تأثیر گرانشی‌شان استنباط کنیم. یکی از روش‌های امیدبخش برای این کار، پدیده‌ی همگرایی گرانشی قوی است.»

همگرایی گرانشی: نوری که منحرف می‌شود

پدیده‌ی همگرایی گرانشی نخستین بار توسط آلبرت اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام (۱۲۹۳ هجری شمسی) پیش‌بینی شد. این نظریه می‌گوید اجرامی که جرم دارند، بافت فضا-زمان را خم می‌کنند.

وقتی نور از یک منبع دوردست از کنار این انحنا و جرم می‌گذرد، مسیرش خم می‌شود. میزان این خم‌شدگی بستگی به فاصله‌ی نور از جرم دارد. در نتیجه، نوری که از یک منبع تابیده می‌شود، می‌تواند از مسیرهای متفاوتی به ابزارهای ما برسد، و در نتیجه پرنورتر دیده شود یا حتی به نظر برسد که منبع نوری در چند نقطه‌ی مختلف در تصویر دیده می‌شود.

هاله‌های ‘تاریکِ تاریک’ اگرچه نامرئی‌اند، اما چون جرم دارند، می‌توانند مانند عدسی گرانشی عمل کنند. بنابراین، اثرات همگرایی گرانشی که منبعی در ماده‌ی مرئی ندارند، ممکن است نشانه‌ای از حضور چنین هاله‌هایی باشند.

ندلر گفت: «داده‌های همگرایی گرانشی تلسکوپ جیمز وب (JWST) اکنون به حساسیتی رسیده‌اند که می‌توانند هاله‌هایی با جرم حدود ۱۰ میلیون جرم خورشیدی را تشخیص دهند. رصدخانه روبین نیز هزاران همگرایی قوی جدید کشف خواهد کرد. امیدوارم که در همین دهه شاهد شناسایی قطعی این اجرام باشیم.»

این یافته‌ها اهمیت زیادی دارند، چون وجود یا عدم وجود هاله‌های ‘تاریکِ تاریک’ زیر آستانه‌ی جرم ستاره‌زایی ندلر می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بین مدل‌های مختلف ماده تاریک تمایز قائل شوند — از جمله مدل استاندارد کیهان‌شناسی یعنی مدل «لامبدا ماده تاریک سرد» که هم‌اکنون رایج‌ترین مدل کیهان‌شناسی است.

ندلر در پایان گفت: «اگر چنین هاله‌هایی اصلاً وجود نداشته باشند، آن هم بسیار جالب است، چون نشان می‌دهد پیش‌بینی‌های مدل‌های ماده تاریک سرد درباره‌ی فراوانی هاله‌های کوچک درست نیست، و ماده تاریک ممکن است در مقیاس‌های کوچک رفتاری متفاوت داشته باشد، مثل آنچه در مدل‌های جایگزین مانند ماده تاریک گرم، پشمی یا خود-برهم‌کنشی پیش‌بینی می‌شود. اینکه کدام هاله‌ها میزبان کهکشان شده‌اند، به ما می‌گوید که چگونه ستاره‌سازی در آن‌ها رخ داده، و این پرسشی بنیادین در نظریه‌ی شکل‌گیری کهکشان‌هاست.»

پژوهش ندلر روز سه‌شنبه (۲۵ فروردین) در Astrophysical Journal Letters منتشر شد.