دانشمندان نزدیک به یک قرن است که به‌دنبال ماده‌ای ناشناخته و نامرئی هستند که به‌عنوان ماده تاریک شناخته می‌شود. آنها گمان می‌کنند که بیشتر مواد موجود در جهان از این ماده ساخته شده‌اند. دلیل این پافشاری این است که به این ماده تاریک برای اثبات عدم پیروی کهکشان‌ها از قوانین اساسی فیزیک نیاز است. بااین‌حال، پژوهش‌های انجام‌شده درباره‌ی این ماده تاکنون با موفقیت همراه نبوده است.
اما روش‌های دیگری برای توضیح رفتار عجیب کهکشان‌ها وجود دارد. پژوهش جدید منتشرشده در مجله کیهان‌شناسی و فیزیک کیهانی نشان می‌دهد که با تغییر قوانین گرانش در مقیاس عظیم کهکشان‌ها، ممکن است اصلا به ماده تاریک نیاز نباشد.
فریتس زوکی، ستاره‌شناس سوئیسی در دهه‌ی ۳۰ قرن گذشته کشف کرد که سرعت در خوشه‌های کهکشانی برای اندازه‌گیری مقدار ماده تاریک قابل رویت، بسیار بالا است. پدیده مشابهی نیز توسط چندین گروه از ستاره‌شناسان مانند وار رابین و کنت فورد وقتی در حال مطالعه‌ی حرکات ستاره‌ها در لبه‌های دور کهکشان اندرومدا بودند، توصیف شد.
انتظار می‌رفت که سرعت ستاره‌ها با دور شدن از مرکز با کاهش نیروی گرانش، کاهش یابد. دلیل این امر این است که طبق قانون دوم حرکت نیوتن، کشش گرانشی روی ماده در حال چرخش می‌تواند به ترکیبی از جرم و شتاب آن (که به سرعت آن مربوط است) معادل شود.
منحنی چرخش کهکشان مارپیچی مسیه ۳۳با این وجود، اندازه‌گیری‌ها حاکی از آن است که با زیاد شدن فاصله، سرعت کاهش نیافته است. این موضع باعث شد دانشمندان به این نتیجه برسند که باید یک ماده نامرئی در آنجا وجود داشته باشد که کشش گرانشی قوی‌تری را ایجاد می‌کند و به حرکات ستاره‌ها سرعت می‌بخشد. در دهه‌های گذشته، کاوش‌های بی‌شمار دیگری از سیستم‌های گرانشی در ابعاد بسیار بزرگ همین مسئله را نشان داد.
فراتر از ماده تاریک
کشف این راز که ماده تاریک چیست، چالش نهایی فیزیک بنیادی مدرن باقی می‌ماند. سؤال اصلی این است که آیا این ماده درواقع یک منبع جرم گمشده مانند یک نوع جدید از ماده است یا این قوانین گرانش هستند که در ابعاد بسیار بزرگ متفاوت‌اند؟
در حالی‌که اولین گزینه بسیار وسوسه‌کننده است، هنوز هیچ‌گونه ماده تاریکی کشف نشده است. همچنین در حالی‌که قوانین گرانشی در منظومه شمسی به خوبی آزمایش شده‌اند، باید در مورد قیاس آن با اندازه‌هایی که حداقل یک میلیون برابر بزرگ‌تر هستند، دقت کرد.
یک تلاش شناخته‌شده برای خلاصی از نیاز به ماده تاریک، دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (MOND) است که پیشنهاد می‌دهد قانون گرانش نیوتن وقتی که کشش گرانشی بسیار ضعیف است، بی‌قاعده است (همان‌طور که در مناطق بیرونی کهکشان است). ولی اگرچه این نظریه در بسیاری از موارد موفق است، آزمایش‌های دقیق مدل استاندارد کیهان‌شناسی را که شامل ماده تاریک می‌شود، نگذرانده است.
مشکل اصلی این است که MOND نمی‌تواند مسئله جرم گمشده در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را همزمان توضیح دهد. استدلال قوی دیگری که علیه MOND است براساس مشاهدات خوشه‌های کهکشانی در حال برخورد است، که ستاره‌های هر کهکشان از کنار یکدیگر می‌گذرند، ولی ابرهای گازی به یکدیگر می‌چسبند و عقب می‌مانند.یک مثال معروف در این‌باره خوشه گلوله است که از دو خوشه در حال برخورد این چنینی تشکیل شده است. مشاهدات پیشنهاد می‌دهد که ماده تاریک در این وقایع از ستاره‌هایی پیروی می‌کند که مجموع جرم کمتری نسبت به ابر گاز داشته باشند. MOND نمی‌تواند چرایی این موضوع را توضیح دهد.
حباب‌های فضایی
جوری اسمیرنوف، نویسنده این مقاله و دانشجو فوق دکترا در دانشگاه جنوب دانمارک گفت:«ما قصد داریم قوانین گرانش را به شیوه‌ای متفاوت تنظیم کنیم. در این روش ما فرض می‌کنیم که پدیده‌ای تحت عنوان غربالگری ونشتاین در کار است. این پدیده پیشنهاد می‌دهد که هر جسم فشرده و به اندازه کافی متراکم در فضا یک حوزه (حباب) نامرئی دور خودش ایجاد می‌کند که وظیفه آن تعیین چگونگی رفتار قوانین فیزیک با افزایش فاصله است. این حوزه یک مفهوم نظری برای کمک به ما به منظور فهم تفاوت بین اندازه‌های کوچک و بزرگ به‌جای یک غشای فیزیکی واقعی است.»
طبق این نظریه، در داخل این حباب قوانین عادی گرانش نیوتنی که در منظومه شمسی دیده می‌شود، برای اشیائی است که با کلان جرم مرکز در تعامل هستند. در خارج از این حباب، این نظریه پیشنهاد می‌دهد که کشش گرانشی توسط شی مرکزی می‌تواند به‌اندازه قابل توجهی افزایش یابد، حتی اگر جرم بیش‌تری وجود نداشته باشد.
اندازه این حباب با جرم شی مرکزی متناسب خواهد بود. به‌عنوان مثال اگر در یک کهکشان این حوزه دارای شعاع چند هزار سال نوری ( یک فاصله‌ی معمولی که در آن علائم ماده تاریک مشاهده می‌شود) باشد، حوزه‌ی مربوط‌به خورشید سیاره ما دارای شعاع ۵۰ هزار واحد نجومی (که هر واحد آن برابر با فاصله بین خورشید و زمین است) خواهد بود. بااین‌حال، مرز منظومه شمسی تنها ۵۰ واحد نجومی است. به عبارت دیگر، هیچ شی‌ای وجود ندارد که در این فاصله دور از خورشید قرار داشته باشد تا بتوان فهمید که آیا کشش گرانشی که روی آن دارد با کشش گرانشی زمین فرق دارد یا خیر. تنها مشاهده کل سیستم‌ها از فاصله بسیار دور به ما اجازه این‌کار را می‌دهد.
نتیجه شگفت‌انگیز این است که اندازه حباب نیوتنی باتوجه‌به جرم محصور به شیوه خاصی افزایش می‌یابد. این بدان معنی است که قانون گرانش در اندازه‌های طولی متفاوت به ترتیب در کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی تغییر می‌کند و بنابراین این موضوع می‌تواند ماده تاریک ظاهری در هر دو سیستم را همزمان توضیح دهد. این کار با استفاده از MOND ممکن نبود. علاوه‌براین، این موضوع با مشاهده خوشه گلوله نیز سازگار است. به این دلیل که ابرهای گازی عقب‌مانده در اثر برخورد به اندازه کافی فشرده نیستند تا یک حوزه در اطراف خود ایجاد کنند و این بدین معنی است که ماده تاریک ظاهری تنها در ستاره‌های بیشتر فشرده شده قابل‌توجه است. MOND بین ستاره‌ها و ابرهای گازی تفاوتی نمی‌گذاشت.
این نظریه سرعت ستارگان در کهکشان‌ها را بسیار بهتر از نظریه نسبیت انشتین توضیح می‌دهد و این موضوع به وجود ماده تاریک رنگ واقعیت می‌بخشد. بنابراین، ممکن است در واقعیت تعداد کمتری ماده تاریک رمزآلود از آنچه که ما فکر می‌کنیم (شاید اصلاْ هیچ ماده تاریکی وجود نداشته باشد) در فضا وجود داشته باشد.
تصویر ذهنی از لنز گرانشی در اطراف یک کهکشاننویسنده این مقاله و همکارانش برنامه‌ای برای پژوهش‌های بیشتر در مورد این پدیده جالب دارند. حتی تنوع بالای حرکت‌های کهکشانی نیز می‌تواند ناشی از این موضوع باشد، ازاین‌رو نویسنده و همکارانش در حال جمع‌آوری اطلاعات بیش‌تری در این‌باره هستند.
براساس گرانش عمومی، هر کلان جرمی، زمان و فضا را در اطراف خودش منحرف می‌کند. در نتیجه، اشعه‌های نوری به‌جای حرکت در یک خط مستقیم، آشکار شده و به دور شی می‌چرخند ( اثر پدیده لنزهای گرانشی). طبق گفته نویسنده این مقاله، یک آزمایش بسیار جالب برای یافته‌های آنها می‌تواند مشاهده دقیق انحراف نور گرانشی توسط کهکشان‌های تکی باشد که البته اندازه‌گیری این آزمایش بسیار دشوار است. این نظریه یک انحراف نور قوی‌تر را برای کهکشان‌های بسیار فشرده پیش‌بینی می‌کند، بنابراین روزی با استفاده از این اندازه‌گیری می‌توان این نظریه را تأیید یا رد کرد.
شیما باقرزاده
- 10
- 3
