ستاره‌شناسان کهکشان عجیبی یافته‌اند که ماده تاریک ندارد
سه سال پیش، فیلیپو فراترنالی و همکارانش توزیع کهکشانی عجیبی را رصد کردند که مانند مجموعه‌ای از شهرهای پراکنده از ستاره‌ها و گاز به‌نظر می‌رسیدند؛ اما برخلاف دیگر کهکشان‌ها ازجمله راه شیری، به‌نظر می‌رسید این کهکشان‌ها توده‌های عظیم ماده تاریکی نداشته باشند که می‌تواند این شهرهای ستاره‌ای را ازطریق گرانش کنار هم حفظ کند. دانشمندان یکی از این کهکشان‌ها را برای بررسی بیشتر انتخاب کردند. این کهکشان تقریباً ۲۵۰ میلیون سال نوری از زمین فاصله دارد. پژوهشگران ۲۷ آنتن تلسکوپی رادیویی از آرایه‌ی بسیار عظیم (VLA) نیومکزیکو را به‌سمت این کهکشان قرار دادند.
پژوهشگران پس از جمع‌آوری داده‌ها، نقشه‌ای از ستاره‌ها و گاز را تهیه کردند که تئوری‌های اولیه را تأیید می‌کرد. فراترنالی، ستاره‌شناس مؤسسه‌ی نجومی کیپتین از دانشگاه گرونینگن هلند، دراین‌باره می‌گوید: «مقدار ماده تاریک در این کهکشان بسیار بسیار کمتر از حد انتظار بود.»
در‌صورتی‌که پژوهشگران یا رقبای آنان کهکشان‌های مشابه دیگری را پیدا کنند، چالشی بر درک ماده تاریک آغاز خواهد شد که نظریه‌ی غالب بیست سال گذشته بوده است. فراترنالی و تیمش یافته‌هایشان را ماه دسامبر در مجله‌ی Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر کردند.
دانشمندان براساس ده‌ها سال رصدهای تلسکوپی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، ماده تاریک را اسکلت مخفی کیهان می‌دانند. این ماده شامل توده‌های عظیم ذرات نامرئی و میزبان کهکشان‌های بزرگ و کوچک است. فراترنالی اولین شخصی نیست که این استثنا را مشاهده کرده است؛ چراکه چند سال پیش پیتر وان‌دوکوم، ستاره‌شناس ییل و همکارانش کهکشان‌های مشابهی را با تلسکوپ هابل کشف کردند که به‌نظر می‌رسید فاقد ماده تاریک باشند. وان‌دوکوم می‌گوید:
این کهکشان‌ها در سال ۲۰۱۸ کشف شدند و مجموعه‌ای از بحث‌های جنجالی را به‌وجود آوردند؛ زیرا این یافته بسیار غیرمنتظره بود و به‌سختی می‌توانستیم آن را توضیح دهیم.
کهکشان‌هایی که قبلا رصد شدند، در محیطی شلوغ قرار دارند. در این محیط‌ها، کهکشان‌ها از کنار یکدیگر عبور می‌کنند و احتمالاً ماده تاریک را از یکدیگر می‌دزدند. بااین‌حال، کهکشان فراترنالی کاملاً ایزوله است و هیچ همسایه‌ی مزاحمی ندارد؛ درنتیجه، کمیاب‌بودن ماده تاریک در این کهکشان نمی‌تواند چنین دلیلی داشته باشد. وان‌دوکوم می‌افزاید: «این نتیجه بسیار مهم است. چگونه ممکن است ستاره‌ها و گاز در محیطی بدون کمک ماده تاریک کنار یکدیگر قرار بگیرند؟»
ستاره‌شناسان نقشه‌ای از ستاره‌ها (رنگ آبی) و گاز (سبز) کهکشانی عجیب موسوم به AGC 114905 را تهیه کردند
این اجرام عجیب کهکشان‌های فوق‌پراکنده (Ultra diffuse galaxies) نامیده می‌شوند و از نظر جرمی، در دسته‌ای بسیار خاص قرار می‌گیرند. این کهکشان‌ها کوچک هستند؛ اما تا مسافت‌های بسیار دور گسترده شده‌اند. برخی از آن‌ها به بزرگی راه شیری هستند؛ ولی تعداد ستاره‌هایشان تنها یک‌صدم راه شیری یا حتی کمتر است. همچنین، کهکشان‌های یادشده تقریباً شفاف هستند و رصد آن‌ها در آسمان شب دشوار است. میریا مونتس، ستاره‌شناس مؤسسه‌ی علوم تلسکوپ فضایی در بالیتمور، بیان می‌کند:
این کهکشان‌ها مرکز کم‌نورتری دارند؛ درنتیجه، رصد آن‌ها دشوار است. امروزه، با تلسکوپ‌های بهتر و رصدهای عمیق می‌توان آن‌ه را بهتر رصد کرد.
ورا روبین در دهه‌ی ۱۹۶۰ از اولین ستاره‌شناسانی بود که با اندازه‌گیری سرعت ستاره‌ها در اطراف مرکز کهکشان‌ها احتمال وجود ماده تاریک را مطرح کرد. او نشان داد ستاره‌های مدار داخلی کهکشان سرعت متفاوتی از مدارهای خارجی‌تر دارند. دانشمندان براساس چرخش این ستاره‌ها جرم مورد‌نیاز برای حرکت مداری پیوسته‌ی آن‌ها را محاسبه کردند.
در بسیاری از این کهکشان‌ها، این جرم چند برابر بیشتر از کل ستاره‌ها بود. دانشمندان این مسئله را با فرضیه‌ی ماده تاریک حل کردند که هیچ نوری از خود منتشر نمی‌کند و به این نتیجه رسیدند که این ماده احتمالاً بقیه‌ی جرم کهکشان را تشکیل می‌دهد.
اندازه‌گیری‌های فراترنالی و تیم او نشان دادند برای چنین کهکشان پراکنده‌ای به استناد به ماده تاریک نیازی نیست؛ زیرا سرعت‌های چرخش کاملاً منطبق با جرم ستاره‌ها و گاز کهکشان بودند و به جرم نادیده‌ی اضافی احتیاجی نبود. مونتس و گروه پژوهشی او نیز چنین کهکشان‌هایی ازجمله دامنه‌های بیرونی آن‌ها را بررسی کردند؛ اما حداقل در‌حال‌حاضر این کهکشان روح‌مانند به‌صورت معمایی پیچیده باقی مانده است.
کهکشان AGC 114905 با هیچ‌کدام از تعریف‌های ماده تاریک سازگار نیست
فراترنالی معقتد است کهکشان مدنظرشان موسوم به AGC 114905 ویژگی عجیبی دارد: انحراف. برخی کهکشان‌ها مانند بشقاب‌پرنده هستند و اگر تلسکوپی زمینی بتواند آن‌ها را از کنار ببیند، رصد آن‌ها برای ستاره‌شناسان آسان خواهد شد؛ زیرا می‌توانند ستاره‌های چرخان را در یک سمت دیسک کهکشانی ببینند که به‌سمت ما حرکت می‌کنند و ستاره‌هایی که در سمت دیگر از ما دور می‌شوند. اگر بتوانند سرعت این ستاره‌ها را اندازه‌گیری کنند، می‌توانند جرم کهکشان و ماده تاریک را تخمین بزنند.
بااین‌حال براساس محاسبات فراترنالی، AGC 114905 انحراف کمی بیشتر از ۳۰ درجه دارد؛ درنتیجه، ستاره‌شناسان برای این میزان انحراف، جرم را به‌درستی محاسبه کرده‌اند. اگر درباره‌ی درجه‌ی انحراف اشتباه کنند، در اندازه‌گیری‌ها فضای زیادی برای ماده تاریک باقی می‌ماند.
با فرض صحیح‌بودن محاسبات پژوهشگران، هنوز مشخص نیست کهکشان آنان چه استثنایی دارد. آیا واقعا این کهکشان جرم کیهانی عجیبی است که هیچ کس نمی‌تواند درکش کند یا می‌تواند جرقه‌ای برای ایجاد مسائل بزرگ‌تر در نظریه‌های ماده تاریک باشد؟
کهکشان یادشده تاکنون منطبق با هیچ‌کدام از تعاریف پیشنهادی برای منشأ کهکشان‌های فوق‌پراکنده نبوده است؛ درنتیجه، ستاره‌شناسان گمان می‌کنند چنین کهکشانی با مقدار اندک ماده تاریک می‌تواند باقی‌مانده‌ی زوج کهکشان‌های بزرگ‌تری باشد که با عبور از کنار هم، نیروهای گرانشی را به یکدیگر وارد کردند و حبابی پفکی از ستاره‌ها و گازها را از خود به‌جا گذاشتند؛ اما هیچ همسایه‌ی کهکشانی غول‌آسایی در اطراف این کهکشان وجود ندارد؛ بنابراین، این توضیح صحیح نیست.
براساس نظریه‌ی دیگر، کهکشان مذکور می‌تواند باقی‌مانده‌ی انفجارهای ستاره‌ای گذشته باشد. تمام ستاره‌ها درنهایت می‌‌میرند و این مرگ در برخی ستاره‌ها به‌صورت انفجار سوپرنوا رخ می‌دهد. به‌‌مرور‌‌زمان سوپرنواها بخش‌هایی از کهکشان‌ها را بیرون می‌رانند و موادی ازجمله ابرهای گازی را دفع می‌کنند. باوجوداین، این مسئله برای AGC 114905 صدق نمی‌کند؛ زیرا این کهکشان هنوز پر از گاز زیاد است که مواد سازنده و سوخت ستاره‌های جدید را تشکیل می‌دهند. اگر این کهکشان در دوره‌های قبل متراکم‌تر بوده باشد، می‌توان گفت بخش زیادی از خوشه‌های فشرده‌ی ستاره‌ای امروزی شاخصی از گذشته‌ی متراکم هستند؛ اما این کهکشان فاقد خوشه‌های این‌چنینی است.
درحقیقت، به‌نظر می‌رسد AGC 114905 در هیچ‌کدام از مدل‌های شامل ماده تاریک صدق نکند. ده‌ها سال دانشمندانی مثل لارا سلز، اختر فیزیک‌دان یو سی ریورساید، کیهان را در کامپیوترهای قدرتمند شبیه‌سازی و تلاش کردند مدل‌های ماده تاریک را نشان دهند که رصدهای ستاره‌شناسان را بازسازی می‌کنند. سلز می‌گوید: «به‌سرعت به شبیه‌سازی‌ها نگاه کردیم و چیزی شبیه این کهکشان نیافتیم.»
کهکشان فراترنالی و دیگران می‌تواند به نیاز به جایگزین‌هایی برای ماده تاریک اشاره کند. وقتی دانشمندان به وجود ماده تاریک اشاره می‌کنند، د‌رواقع فرضیه‌هایی درباره‌ی عملکرد گرانش مطرح می‌کنند؛ اما اگر گرانش کمی متفاوت از تصوراتشان عمل کند چه اتفاقی رخ می‌دهد؟
مقاله‌های مرتبط:معمای ماده تاریک؛ آیا سیاه‌چاله‌هایی هم‌اندازه یک اتم این معما را حل می‌کنند؟ماده تاریک کهکشان راه شیری کجاست؟
فراترنالی و همکاران او در پروژه‌ی خود یکی از نظریه‌های برنده‌ی احتمالی به نام MOND یا داینامیک نیوتونی تغییریافته را برای جایگزین ماده تاریک آزمودند که شامل قانون گرانش نیوتن با اندکی تغییر است. این نظریه را که فیزیک‌دانی به نام موردهای میلگروم در دهه‌ی ۱۹۸۰ مطرح کرد، فرض می‌کند فیزیک استاندارد گرانش که حرکت اشیاء را با سرعت‌های گرانشی زیاد مثل سیاره‌های منظومه‌ی شمسی توصیف می‌کند، ممکن است برای ستاره‌های آهسته در لبه‌ی دیسک کهکشان صدق نکند.
طبق نظریه‌ی یادشده، تفاوت بین سرعت‌های قابل‌انتظار ستاره‌ها در کهکشان‌ها و سرعت حرکت آن‌ها نشانه‌ی جرم گم‌شده نیست؛ بلکه خطای ریاضی است. با اینکه مدل MOND به‌خوبی کهکشان‌های عادی را توصیف می‌کند، نمی‌تواند چرخش کهکشان پفکی فراتارنالی را توجیه کند.
به‌طورکلی، هنوز برای نتیجه‌گیری درباره‌ی ناسازگاری AGC 114905 با نظریه‌های ماده تاریک زود است. فعلا فراتارنالی و دیگران به بررسی این کهکشان‌های عجیب ادامه خواهند داد و تلسکوپ فضایی جیمز وب امید به این بررسی‌ها را افزایش خواهد داد. وان‌دوکوم درپایان می‌گوید:
این گونه نیست که در حال بررسی لبه‌ی جهان باشیم یا بخواهیم سیارهای کوچک را درکنار ستاره‌ای کشف کنیم. این پژوهش با ابزارهایی که داریم، انجام‌شدنی خواهد بود.
رصدهای باکیفیت از کهکشانی دوردست نشان می‌دهند ماده تاریک برخلاف تصور دانشمندان، چندان هم فراگیر نیست.