سرعت ستارگان در لبه کهکشان راه شیری بیشتر است

کشف جدید فیزیک‌دانان دانشگاه «ام‌آی‌تی» نشان می‌دهد که ستاره‌های نزدیک به لبه کهکشان راه شیری احتمالا کندتر از ستاره‌هایی که به مرکز آن نزدیک‌تر هستند، حرکت می‌کنند. این شگفتی نشان می‌دهد که هسته گرانشی کهکشان ما ممکن است ماده تاریک کمتری را نسبت به آنچه پیشتر تصور می‌شد داشته باشد.

فیزیکدانان دانشگاه «ام‌آی‌تی»(MIT) با سنجش سرعت ستاره‌ها در سراسر کهکشان راه شیری دریافتند که ستاره‌های دورتر یک قرص کهکشانی در مقایسه با ستاره‌هایی که به مرکز کهکشان نزدیک‌تر هستند، کندتر از حد انتظار حرکت می‌کنند. این یافته‌ها یک احتمال شگفت‌انگیز را بوجود می‌آورند و آن احتمال این است که شاید هسته گرانشی راه شیری از نظر جرم سبک‌تر و حاوی ماده تاریک کمتری باشد.

این نتایج جدید براساس تحلیل گروه پژوهشی دانشگاه ام‌آی‌تی در مورد داده‌های ثبت‌شده با تلسکوپ‌های «گایا»(Gaia) و «APOGEE» به دست آمده‌اند. گایا یک تلسکوپ فضایی در مدار زمین است که مکان، فاصله و حرکت دقیق بیش از یک میلیارد ستاره را در سراسر کهکشان راه شیری ردیابی می‌کند اما تلسکوپ APOGEE یک بررسی زمینی را انجام می‌دهد. فیزیک‌دانان ام‌آی‌تی، بررسی‌های گایا را در مورد بیش از ۳۳ هزار ستاره، از جمله برخی از دورترین ستاره‌های کهکشان تحلیل کردند و با توجه به فاصله ستاره از مرکز کهکشان توانستند سرعت دایره‌ای هر ستاره یا سرعت چرخش یک ستاره را در قرص کهکشانی تعیین کنند.

آنها سرعت هر ستاره را در برابر فاصله آن قرار دادند تا یک منحنی چرخش را ایجاد کنند. منحنی چرخش، یک نمودار استاندارد در ستاره‌شناسی است که سرعت چرخش ماده را در یک فاصله معین از مرکز کهکشان نشان می‌دهد. شکل این منحنی می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا بفهمند که چقدر ماده مرئی و ماده تاریک در سراسر یک کهکشان توزیع شده است.

«لینا نصیب»(Lina Necib) دانشیار فیزیک دانشگاه ام‌آی‌تی و از پژوهشگران این پروژه گفت: ما دریافتیم ستاره‌های بیرونی کمی کندتر از حد انتظار می‌چرخند که یک نتیجه‌ بسیار شگفت آور است.

این گروه پژوهشی، منحنی چرخش جدید را در مورد توزیع ماده تاریک به کار گرفتند که توانست کاهش سرعت ستاره‌های بیرونی را توضیح دهد. آنها دریافتند که نقشه به دست آمده، هسته کهکشانی سبک‌تری را نسبت به آنچه انتظار می‌رفت، تولید می‌کند. بدین ترتیب، مرکز کهکشان راه شیری ممکن است چگالی کمتری را شامل شود و ماده تاریک کمتری را نسبت به آنچه دانشمندان تصور می‌کردند، در بر داشته باشد.

نصیب ادامه داد: یک چیز عجیب در جایی جریان دارد و واقعا هیجان‌انگیز است که بفهمیم کجاست تا یک تصویر منسجم را از کهکشان راه شیری به دست بیاوریم.

کهکشان راه شیری مثل بسیاری از کهکشان‌های جهان، مانند آب در گرداب می‌چرخد و چرخش آن تا حدی توسط ماده‌ای هدایت می‌شود که درون قرصش می‌چرخد. در دهه ۱۹۷۰، «ورا روبین»(Vera Rubin) ستاره‌شناس آمریکایی به اولین کسی تبدیل شد که مشاهده کرد نوع چرخش کهکشان‌ها صرفا توسط ماده مرئی هدایت نمی‌شود. روبین و همکارانش، سرعت چرخش دایره‌ای ستاره‌ها را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که منحنی‌های چرخش حاصل‌شده به ‌طور شگفت‌آوری صاف هستند. این یعنی سرعت ستارگان در سرتاسر کهکشان یکسان باقی مانده است. آنها به این نتیجه رسیدند که احتمالا نوع دیگری از ماده نامرئی روی ستاره‌های دور عمل می‌کند تا به آنها فشار بیشتری بدهد.

پژوهش روبین درباره منحنی‌های چرخش، یکی از اولین شواهد قوی پیرامون وجود ماده تاریک (Dark matter)

بود. تخمین زده می‌شود که مقدار این ماده نامرئی و ناشناخته از همه ستاره‌ها و سایر مواد قابل مشاهده در کیهان بیشتر باشد.

ستاره‌شناسان از آن زمان، منحنی‌های مشابهی را در کهکشان‌های دور مشاهده کرده‌اند که بیشتر از حضور ماده تاریک حمایت می‌کنند. ستاره‌شناسان اخیرا تلاش کرده‌اند تا منحنی چرخش ستاره‌های کهکشان راه شیری را ترسیم کنند.

در سال ۲۰۱۹، «آنا کریستینا آیلرز»(Anna-Christina Eilers) دانشیار فیزیک دانشگاه ام‌آی‌تی با استفاده از داده‌های ماهواره گایا به ترسیم منحنی چرخش کهکشان راه شیری پرداخت. اطلاعات منتشر شده شامل ستاره‌هایی با فاصله حدود ۸۱ هزار سال نوری از مرکز کهکشان بود.

آیلرز با بررسی این داده‌ها دریافت که منحنی چرخش کهکشان راه شیری، مسطح به نظر می‌رسد، مانند سایر کهکشان‌های دور با یک کاهش خفیف همراه است و کهکشان احتمالا دارای چگالی بالایی از ماده تاریک در هسته خود است. در هر حال، این دیدگاه اکنون تغییر کرده است زیرا تلسکوپ گایا مجموعه داده‌های جدیدی را منتشر کرده که این بار ستاره‌هایی را با فاصله تقریبا ۱۰۰ هزار سال نوری از هسته کهکشان در بر دارد.

«آنا فربل»(Anna Frebel) پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: در این فواصل، ما درست در لبه کهکشان هستیم؛ جایی که بیرون ریختن ستاره‌ها آغاز می‌شود. هیچ کس بررسی نکرده بود که چگونه ماده در این کهکشان بیرونی و در جایی حرکت می‌کند که ما واقعا در نیستی هستیم.

تنش عجیب

این گروه پژوهشی از داده‌های جدید گایا استفاده کردند و به دنبال گسترش دادن ایده آیلرز مبنی بر منحنی چرخش اولیه بودند. آنها برای اصلاح کردن تحلیل خود، داده‌های گایا را با اندازه‌گیری‌های APOGEE تکمیل کردند که ویژگی‌های بسیار دقیقی مانند روشنایی، دما و ترکیب بیش از ۷۰۰ هزار ستاره را در کهکشان راه شیری مورد بررسی می‌دهد.

پژوهشگران فاصله دقیق بیش از ۳۳ هزار ستاره را تعیین کردند و این اندازه‌گیری‌ها را برای تهیه کردن یک نقشه سه‌بعدی از ستاره‌های پراکنده در کهکشان راه شیری به کار بردند. سپس، آنها این نقشه را در مدلی از سرعت دایره‌ای گنجاندند تا با توجه به توزیع ستاره‌های دیگر در کهکشان، سرعت یک ستاره را شبیه‌سازی کنند. پژوهشگران سرعت و فاصله هر ستاره را روی نمودار ترسیم کردند تا منحنی چرخش به‌روزشده‌ای را از راه شیری تولید کنند.

نصیب گفت: اینجا بود که یک موضوع عجیب ظاهر شد.

به جای مشاهده کردن یک کاهش خفیف مانند منحنی‌های چرخش پیشین، پژوهشگران مشاهده کردند که منحنی جدید در انتهای بیرونی شدیدتر از حد انتظار ظاهر شده است. این نزول غیرمنتظره نشان می‌دهد که اگرچه ستاره‌ها ممکن است به همان سرعت به یک مسافت معین سفر کنند اما در دورترین فاصله‌ها ناگهان سرعت خود را کاهش می‌دهند. به نظر می‌رسد ستاره‌های حومه آهسته‌تر از حد انتظار حرکت می‌کنند.

هنگامی که پژوهشگران این منحنی چرخش را با مقدار ماده تاریکی که باید در سرتاسر کهکشان وجود داشته باشد مرتبط دانستند، متوجه شدند که هسته راه شیری ممکن است حاوی ماده تاریک کمتری نسبت به مقدار تخمین‌زده‌شده پیشین باشد.

نصیب گفت: این نتیجه با اندازه‌گیری‌های دیگر در تنش قرار دارد. درک واقعی این نتیجه، پیامدهای عمیقی را خواهد داشت. این امر ممکن است به شکل‌گیری توده‌های پنهان بیشتر در آن سوی لبه قرص کهکشانی یا بازنگری در وضعیت تعادل کهکشان ما بیانجامد. ما به دنبال یافتن این پاسخ‌ها در پژوهش‌های آینده، به کمک شبیه‌سازی با وضوح بالا از کهکشان‌های شبیه راه شیری هستیم.

این پژوهش که با حمایت «بنیاد ملی علوم آمریکا»(NSF) انجام شده است، در مجله «MNRAS» به چاپ رسید.