مشکل اینجاست که ما نمیتوانیم ببینیم این ماده چگونه توزیع شده است، زیرا همانطور که از نامش پیداست، تاریک است. همچنین بهطور کامل نمیدانیم که آیا این ماده بهصورت تودهای توزیع شده است یا خیر. اما تیمی از دانشگاه آلاباما در هانتسویل راهی پیدا کرده است تا با استفاده از تپاخترهای منفرد، نقشهای از این ماده تهیه کند و تأثیر آن را بر کهکشان آشکار سازد.
روش جدید برای نقشهبرداری از ماده تاریک
تکنیکی که دکتر سوکانیا چاکرابارتی و تیمش توسعه دادهاند، بر اساس ویژگیهای منحصربهفرد تپاخترها است. علاوه بر این، این روش از نوعی نوسان عجیب در کهکشان ما بهره میبرد. این نوسان به نظر میرسد که در اثر تعامل کهکشان راه شیری با کهکشانهای کوتولهای مانند ابر ماژلانی بزرگ ایجاد شده باشد. این نوسان با مقدار ماده تاریک در کهکشان مرتبط است و مشخص شده که تپاخترها میتوانند در ترسیم نقشهی آن کمک کنند.
تپاخترها و ماده تاریک
تپاخترها بقایای ستارگان عظیمی هستند که پس از انفجار بهصورت ابرنواختر، هستهای فشرده و بهسرعت چرخان از آنها باقی میماند. این اجرام دارای میدانهای مغناطیسی فوقالعاده قوی هستند. این میدانها در اثر چرخش سریع تپاختر پیچخورده و باعث انتشار ذرات پرسرعت به فضا میشوند. این فرآیند موجب از دست رفتن انرژی تپاختر شده و همراه با اصطکاک ناشی از حرکت میدان مغناطیسی، باعث کاهش تدریجی سرعت چرخش آن میشود. این پدیده “ترمز مغناطیسی” نام دارد. دانشمندان سالهاست که در حال مدلسازی این فرآیند برای درک بهتر رفتار تپاخترها هستند.
ماده تاریک و نوسان کهکشان راه شیری
منبع: مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا / والت فایمر
رفتار کهکشان راه شیری بخش دیگری از معمای نقشهبرداری از ماده تاریک است. اخترشناسان میدانند که ماده تاریک بخش قابلتوجهی از جرم کهکشان را تشکیل میدهد، اما بهنظر میرسد این جرم بهطور یکنواخت توزیع نشده است. طبق تحقیقات چاکرابارتی، این توزیع نابرابر باعث ایجاد اثرات جالبی میشود. او توضیح میدهد:
“در تحقیقات قبلیام، با شبیهسازیهای کامپیوتری نشان دادم که از آنجایی که کهکشان راه شیری با کهکشانهای کوتوله تعامل دارد، ستارگان داخل آن بسته به موقعیتشان در بالا یا پایین صفحه کهکشانی، نیروی گرانشی متفاوتی را احساس میکنند. ابر ماژلانی بزرگ، که یک کهکشان کوتوله نسبتاً بزرگ است، در مدار اطراف کهکشان ما قرار دارد. زمانی که این کهکشان به راه شیری نزدیک میشود، میتواند مقداری از جرم دیسک کهکشانی را به سمت خود بکشد. این اتفاق باعث ایجاد یک توزیع نامتقارن در جرم کهکشان شده و در نتیجه گرانش در یک سمت قویتر میشود.”
اعتبار تصویر: ESA/Gaia/DPAC، استفان پین-واردنار، CC BY-SA 3.0 IGO
چاکرابارتی این “نوسان کهکشانی” را با راه رفتن ناپایدار یک کودک نوپا مقایسه کرده است. این نوسان بر روی ستارگان، از جمله تپاخترها، تأثیر میگذارد. مشخص شده که کششهای گرانشی ناشی از ماده تاریک بر سرعت کاهش چرخش تپاخترها اثر میگذارد. او میگوید: “بنابراین، این اثر نامتقارن در شتابهای تپاخترها که ناشی از کشش ابر ماژلانی بزرگ است، چیزی بود که انتظار داشتیم ببینیم.” به عبارت دیگر، این نیروهای گرانشی که از ماده تاریک سرچشمه میگیرند، سرنخهایی از توزیع و احتمالاً چگالی آن در سراسر کهکشان به ما میدهند.
استفاده از تپاخترهای دوتایی برای نقشهبرداری از ماده تاریک
چاکرابارتی و تیمش پیشتر از تپاخترهای دوتایی برای نقشهبرداری از ماده تاریک کهکشان استفاده کرده بودند. ویژگی مهم این سیستمها این است که ترمز مغناطیسی تأثیری بر مدار آنها ندارد. این ویژگی، آنها را به ابزاری مناسب برای اندازهگیری مقدار و توزیع ماده تاریک در کهکشان راه شیری تبدیل میکند. این تیم تحقیقاتی، شتاب تغییرات سرعت چرخش تپاخترها را در اثر پتانسیل گرانشی کهکشان اندازهگیری کرد. یافتههای آنها نشان داد که میتوان میدان گرانشی کهکشان را با دادههای بیشتری از تپاخترهای دوتایی ترسیم کرد، از جمله مناطقی که دارای تودههای ماده تاریک هستند.
اما یک مشکل وجود داشت: بیشتر تپاخترها منفرد هستند. بنابراین، باید روشی برای استفاده از آنها نیز پیدا میشد. اینجاست که مدلسازی جدید تیم چاکرابارتی در مورد کاهش سرعت چرخش تپاخترها وارد عمل شد.
تکنیک جدید برای استفاده از تپاخترهای منفرد
تام دانلون، یکی از اعضای تیم، توضیح میدهد:
“به دلیل پدیده کاهش سرعت چرخش، در ابتدا–در مقاله ۱۴۰۰ و همچنین مقاله پیگیری ۱۴۰۳–مجبور بودیم فقط از تپاخترهای دوتایی برای محاسبه شتابها استفاده کنیم، زیرا مدار آنها تحت تأثیر ترمز مغناطیسی قرار نمیگیرد. اما با تکنیک جدید، اکنون میتوانیم میزان ترمز مغناطیسی را با دقت بالا تخمین بزنیم، که این امکان را به ما میدهد تا از تپاخترهای منفرد نیز برای محاسبه شتابها استفاده کنیم.”
نیاز به دادههای بیشتر
با افزودن اندازهگیریهای بیشتر از تپاخترهای منفرد، تیم چاکرابارتی پیشبینی میکند که در آینده بتوان به درک دقیقتری از توزیع ماده تاریک در کهکشان راه شیری دست یافت.
او میگوید:
“در اصل، این تکنیکهای جدید امکان اندازهگیری شتابهای بسیار کوچک ناشی از کشش ماده تاریک در کهکشان را فراهم میکنند.”
چاکرابارتی اشاره میکند که جامعهی اخترشناسی تاکنون توانسته است شتابهای بزرگی را که توسط سیاهچالهها بر روی ستارگان مرئی و ستارگان نزدیک به مرکز کهکشان اعمال میشود، اندازهگیری کند. اما اکنون، این روش جدید امکان بررسی شتابهای بسیار کوچک در حدود ۱۰ سانتیمتر بر ثانیه در هر دهه را فراهم کرده است.
“۱۰ سانتیمتر بر ثانیه، سرعت یک نوزاد در حال خزیدن است!”
