«ماده تاریک از طلا ارزشمندتر است»: کهکشانهای لرزان به درک عجیبترین ماده جهان کمک میکنند
🔭 دانشمندان برای اولین بار موفق به اندازهگیری مستقیم چگالی ماده تاریک از طریق شتابهای کهکشانی شدند.
ماده تاریک که به عنوان مرموزترین ماده جهان شناخته میشود، در زمین کمیابتر از طلا است—با وجود اینکه مقدار آن پنج برابر بیشتر از ماده عادی در کیهان است.
این کشف توسط دانشمندانی انجام شده که روش جدیدی برای نقشهبرداری از ماده تاریک با استفاده از لرزش کهکشان راه شیری پیشنهاد دادهاند. این لرزش ناشی از تأثیر کهکشانهای اقماری راه شیری، مانند ابر ماژلانی بزرگ (LMC)، و همچنین ستارههای نوترونی چرخان سریع یا همان پولسارها است.
پولسارها مانند فانوسهای کیهانی عمل میکنند و پرتوهای نور خود را در فواصل بسیار طولانی منتشر میکنند. در پژوهشهای قبلی، دانشمندان از این ستارگان شدید، هنگامی که با ستارگان دیگری در سیستمهای دوتایی در مدار بودند، به عنوان کاوشگر ماده تاریک استفاده کردند. اما تحقیقات جدید نشان میدهد که پولسارهای منفرد نیز میتوانند برای این بررسی استفاده شوند.
🔹 شتابگیری کهکشانی و کشف ماده تاریک
سوکانیا چاکرابارتی (Sukanya Chakrabarti) از دانشگاه آلاباما در هانتسویل (UAH) گفت:
“زمانی که در سال ۲۰۲۱ این کار را شروع کردیم و سال گذشته انتشار اولیه آن را انجام دادیم، نمونه مورد مطالعه ما فقط شامل زوجهای پولسار بود—یعنی پولسارهای دوتایی. اما بیشتر پولسارها دوتایی نیستند، بلکه به صورت منفرد وجود دارند. در این تحقیق جدید، ما نشان دادهایم که چگونه میتوان با استفاده از پولسارهای منفرد، تعداد پولسارهایی را که برای محدود کردن ماده تاریک در کهکشان استفاده میکنیم، دو برابر کنیم.”
🔹 در این تحقیق، عبارت “محدود کردن ماده تاریک” به معنی تعیین ویژگیها و خصوصیات احتمالی این ماده است.
جمعآوری دادههای بیشتر از ستارههای نوترونی، همراه با اندازهگیری شتاب گرانشی پولسارهای دوتایی و منفرد، میتواند به درک بهتر میدان گرانشی کهکشان راه شیری و توزیع ماده تاریک در آن کمک کند.
چاکرابارتی افزود:
“به دلیل داشتن نمونه بزرگتر، اکنون یک پیشرفت مهم داشتهایم. برای اولین بار، ما قادر به اندازهگیری مستقیم چگالی ماده تاریک محلی از طریق اندازهگیریهای شتاب شدهایم.”
🔹 ماده تاریک کمیابتر از طلا؟
محققان دریافتند که در یک حجم معادل کل زمین، کمتر از ۱ کیلوگرم ماده تاریک وجود دارد.
“اگر این مقدار را با میلیونها کیلوگرم طلایی که سالانه تولید میشود مقایسه کنید، میبینید که از نظر وزنی، ماده تاریک از طلا ارزشمندتر است!” چاکرابارتی گفت.
🔹 ماده تاریک: چسب نامرئی که کهکشانها را کنار هم نگه میدارد
ماده تاریک حدود ۸۵٪ از کل ماده موجود در جهان را تشکیل میدهد، اما هیچگونه تعاملی با نور ندارد—یا اگر هم دارد، آنقدر ضعیف است که ما هنوز قادر به شناسایی آن با فناوریهای موجود نیستیم.
🔹 این به این معنی است که ماده تاریک نمیتواند از اتمهایی مانند ماده معمولی تشکیل شده باشد، زیرا ذراتی مانند الکترونها، پروتونها و نوترونها با نور تعامل دارند.
🔹 چگونه میدانیم که ماده تاریک وجود دارد؟
تنها راهی که میتوانیم وجود ماده تاریک را تشخیص دهیم، اثر گرانشی آن بر نور و ماده عادی است. در واقع، این تأثیر بسیار حیاتی است.
اگر کهکشانها فاقد ماده تاریک بودند، نیروی گرانشی ناشی از ستارگان، سیارات و ابرهای غبار کافی نبود تا آنها را کنار هم نگه دارد و در حین چرخش از هم متلاشی میشدند.
دانشمندان معتقدند که مقدار زیادی از ماده تاریک در مرکز کهکشانها متمرکز شده است، اما همچنین معتقدند که ماده تاریک بهصورت یک پوسته کروی، فراتر از مرزهای کهکشانهای مرئی گسترش مییابد.
این توضیح میدهد که چرا ماده تاریک در حجمی معادل زمین کمتر از طلا است، اما همچنان در سراسر جهان از تمام اتمهای معمولی بیشتر است.
🔹 کهکشان لرزان: تاثیر اقماریها بر راه شیری
چاکرابارتی در تحقیقات قبلی خود با استفاده از شبیهسازیهای کامپیوتری نشان داده بود که هنگامی که کهکشان راه شیری با کهکشانهای اقماری خود تعامل دارد، نیروی گرانش در قسمتهای مختلف کهکشان متفاوت است.
به عنوان مثال، ابر ماژلانی بزرگ (LMC)، یکی از کهکشانهای اقماری بزرگ راه شیری، هنگام حرکت در اطراف کهکشان ما، میتواند باعث جابجایی جرم در دیسک کهکشانی شود و توزیع جرم را نامتعادل کند.
🔹 این تأثیر، که باعث میشود کهکشان بهصورت نامتقارن تغییر کند، همان چیزی است که چاکرابارتی آن را “لرزش کهکشانی” توصیف میکند.
“تقریباً مانند این است که کهکشان راه شیری مانند یک کودک نوپا که هنوز تعادل ندارد، در حال لرزش است.”
🔹 در این مطالعه جدید، تیم تحقیقاتی برای اولین بار این اثر لرزش کهکشانی را از طریق دادههای شتاب پولسارها اندازهگیری کرده است.
🔹 فانوسهای کیهانی: نقش پولسارها در کشف ماده تاریک
پولسارها، مانند تمام ستارههای نوترونی، هنگامی شکل میگیرند که ستارگانی حداقل هشت برابر خورشید سوخت خود را تمام کنند و تحت نیروی گرانشی خودشان فروبپاشند.
یک قاشق چایخوری از ماده یک ستاره نوترونی معادل ۱۰ میلیون تن وزن دارد—تقریباً معادل وزن ۸۵,۰۰۰ نهنگ آبی!
این تراکم بسیار زیاد باعث میشود که پولسارها با سرعتهای بسیار بالا بچرخند—تا ۷۰۰ دور در ثانیه.
به لطف این چرخش سریع و الگوی دقیق تابش آنها، پولسارها به ساعتهای کیهانی بسیار دقیقی تبدیل میشوند که میتوان از آنها برای اندازهگیریهای گرانشی استفاده کرد.
🔹 دانشمندان قبلاً فقط از پولسارهای دوتایی برای این اندازهگیریها استفاده میکردند، زیرا شتاب آنها تحت تأثیر فرایندهای مغناطیسی قرار نمیگرفت. اما با تکنیک جدید، میتوان از پولسارهای منفرد نیز استفاده کرد و دادههای بسیار بیشتری به دست آورد.
🔹 نتیجهگیری: پیشرفتی مهم در شناخت ماده تاریک
“این تکنیکهای جدید اکنون به ما امکان میدهند که شتابهای بسیار کوچک ناشی از کشش ماده تاریک را اندازهگیری کنیم.”
محققان اکنون میتوانند حرکت گرانشی ماده تاریک را در سطح بسیار کوچکی در حدود ۱۰ سانتیمتر بر ثانیه در هر دهه اندازهگیری کنند—تقریباً برابر با سرعت خزیدن یک نوزاد! 👶
🚀 این تحقیق میتواند درک ما از ماده تاریک را دگرگون کند و به یکی از بزرگترین معماهای کیهان پاسخ دهد!