نظریههای گوناگونی دربارهی اینکه مادهی تاریک دقیقاً چیست و چگونه میتواند بهوسیلهی نیروی گرانش بر جهان اثر بگذارد وجود دارد. با این حال، اثبات این نظریهها بسیار دشوار است، زیرا مادهی تاریک تقریباً هیچگاه با مادهی معمولی برهمکنش مستقیم ندارد، بهویژه در مقیاسهای «کوچک» مانند کهکشانها. از این رو، وقتی یک گروه پژوهشی ادعا میکند که در کهکشان خودمان نشانههایی از مادهی تاریک یافته است، ارزش آن را دارد که با دقت بیشتری بررسی کنیم که چگونه به این نتیجه رسیدهاند. در یک پژوهش تازه، دکتر سورکانیا چاکرابرتی و گروهش در دانشگاه آلابامای هانتسویل (UAH) موفق شدهاند برای نخستین بار شواهدی از وجود یک «زیرهالهی مادهی تاریک» در همسایگی کهکشانی ما به دست آورند. آنان این نتیجه را با مطالعهی سیگنالهایی از تپاخترهای دوتایی بهدست آوردهاند.
زیرهاله چیست؟
زیرهاله (Sub-halo) در واقع تودهای متراکم از مادهی تاریک است که درون یک هالهی بزرگتر قرار دارد. هالههای مادهی تاریک ساختارهایی گستردهاند که تصور میشود هستهی اصلی کهکشانها را تشکیل میدهند. از آنجا که مادهی تاریک عمدتاً از راه گرانش بر محیط اثر میگذارد، نظریههای کیهانشناسی پیشبینی میکنند که هرجا مادهی تاریک در تودههایی گرد هم آید، مادهی «باریونی» یا همان مادهی معمولی (ستارهها، گازها و سیارات) نیز به سوی آن جذب میشود. بنابراین، این تجمعها نوعی داربست کیهانی به شمار میآیند که کهکشانها بر اساس آن شکل میگیرند.
زیرهالهها تراکمهای کوچکتر و متراکمتری از مادهی تاریکاند که بهدلیل جاذبهی خود به هم میچسبند. اما از آنجا که در مقایسه با هالههای بزرگتر بسیار کوچکاند، آشکارسازی آنها کار دشواری است. برای شناسایی چنین ساختارهایی، اخترشناسان باید به دنبال نشانههایی گرانشی بگردند که با آنچه از مادهی معمولی اطراف انتظار میرود سازگار نباشد. تا پیش از این پژوهش، هیچکس نتوانسته بود چنین سیگنالی را بهطور مستقیم در همسایگی کهکشانی ما جداسازی کند.
نقش تپاخترهای دوتایی
اینجاست که تپاخترهای دوتایی وارد ماجرا میشوند. این سامانههای ستارهای شامل دو ستارهاند که دستکم یکی از آنها یک تپاختر است. تپاختر نوعی ستارهی نوترونی است که پرتوهای پرانرژی خود را بهطور منظم و دورهای منتشر میکند؛ مانند چراغ فانوس دریایی در کیهان. چرخهی این تابشها بهقدری منظم است که دقت آنها با ساعتهای اتمی رقابت میکند.
پژوهشگران بر این باور بودند که اگر چرخهی انتشار این پالسها کمی از حالت پیشبینیشده منحرف شود، میتواند نشانهای از اثرات گرانشی یک زیرهالهی مادهی تاریک باشد. به همین دلیل، آنها به مطالعهی تپاخترهای دوتایی در سراسر کهکشان پرداختند تا ببینند آیا ردی از چنین انحرافی وجود دارد یا نه.
در مجموع، ۲۷ سامانهی تپاختر دوتایی بررسی شد. دانشمندان بهویژه بهدنبال تغییرات گرانشی بودند که بین جفتهای مختلف مشاهده شود، چرا که همبستگی در این تغییرات احتمال وجود یک ساختار گرانشی پنهان را افزایش میدهد. سرانجام، آنها دو تپاختر دوتایی با نامهای PSR J1640+2224 و PSR J1713+0747 یافتند که دقیقاً همان تغییرات گرانشی چشمگیر و همبسته را نشان میدادند.
حذف عوامل مزاحم
البته برای اطمینان از اینکه تغییرات گرانشی واقعاً ناشی از مادهی تاریک است، لازم بود سایر عوامل احتمالی حذف شوند. یکی از این عوامل، «تابش گرانشی» است؛ یعنی شتابی که به دلیل انتشار امواج گرانشی در یک سامانه بهوجود میآید، همانگونه که نظریهی نسبیت عام پیشبینی میکند. عامل دیگر «اثر شکلوفسکی» است، پدیدهای هندسی که زمانی رخ میدهد که سامانهی دوتایی نسبت به خط دید ما در حال حرکت باشد و بهطور مصنوعی موجب تغییرات ظاهری شود. خوشبختانه هر دوی این پدیدهها بهخوبی شناختهشدهاند و بهسادگی میتوان آنها را از محاسبات کنار گذاشت.
با وجود حذف این عوامل، همچنان بخشی از شتاب گرانشی باقی ماند که نمیشد آن را به مادهی معمولی نسبت داد. در واقع، دادههای آماری آنقدر قوی بودند که توضیح دیگری جز وجود یک جرم گرانشی پنهان برای آن متصور نبود.
تعیین جرم و موقعیت
گام بعدی پژوهشگران تعیین ویژگیهای این جرم پنهان بود. آنها محاسبه کردند که این زیرهالهی احتمالی در فاصلهی حدود ۲۳۴۰ سال نوری از ما قرار دارد. همچنین جرم آن چیزی در حدود ۲۴.۵ میلیون برابر جرم خورشید برآورد شد. اگر قرار بود این تغییرات گرانشی تنها با مادهی باریونی توضیح داده شود، باید صد برابر بیشتر از آنچه در آن بخش از کهکشان مشاهده میکنیم مادهی معمولی وجود میداشت. بنابراین، فرضیهی مادهی تاریک قویترین توضیح باقیمانده بود.
اهمیت کشف
این دستاورد علمی نخستین باری است که یک زیرهالهی مادهی تاریک در «محلهی کهکشانی» ما شناسایی میشود؛ پدیدهای که سالها تنها در نظریهها پیشبینی شده بود. علاوه بر این، روش استفادهشده در این پژوهش راهی تازه در اختیار اخترشناسان قرار میدهد تا با مطالعهی مجموعههای دیگر از تپاخترهای دوتایی، به جستجوی زیرهالههای مادهی تاریک بپردازند.
گرچه چنین سامانههایی نسبتاً نادرند، اما اخترشناسان بهطور پیوسته دادههای تازهای از آنها جمعآوری میکنند. این امر به کیهانشناسان امکان میدهد دادههای بیشتری برای تحلیل در اختیار داشته باشند. به همین دلیل، به احتمال زیاد این نخستین و آخرین باری نیست که دربارهی این روش و کشف زیرهالههای مادهی تاریک میشنویم. جهان پر از ناشناختههاست و هنوز نقاط فراوانی برای جستجو باقی مانده است.