تشير النجوم الخارجية الأبطأ في درب التبانة إلى أن المادة المظلمة مبالغ فيها

معهد ماساتشوستس للتكنولوجياتظهر دراسة الخارجي درب التبانة تدور النجوم بشكل أبطأ، مما يشير إلى نواة أخف تحتوي على كمية أقل من المادة المظلمة، وهو ما يتعارض مع الافتراضات السابقة.

من خلال تسجيل سرعة النجوم في جميع أنحاء مجرة ​​درب التبانة، وجد علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن النجوم الموجودة في قرص المجرة تتحرك بشكل أبطأ من المتوقع مقارنة بالنجوم الأقرب إلى مركز المجرة. تثير النتائج احتمالًا مفاجئًا: قد يكون قلب الجاذبية في مجرة ​​درب التبانة أخف وزنًا، ويحتوي على كمية أقل من المادة المظلمة، مما كان يُعتقد سابقًا.

تعتمد النتائج الجديدة على تحليل الفريق للبيانات المأخوذة بواسطة أدوات Gaia وAPOGEE. Gaia هو تلسكوب فضائي مداري يتتبع الموقع الدقيق والمسافة والحركة لأكثر من مليار نجم في جميع أنحاء مجرة ​​درب التبانة، في حين أن APOGEE هو مسح أرضي. وقام الفيزيائيون بتحليل قياسات جايا لأكثر من 33 ألف نجم، بما في ذلك بعض النجوم الأبعد في المجرة، وحددوا “السرعة الدائرية” لكل نجم، أو مدى سرعة دوران النجم في قرص المجرة، بالنظر إلى مسافة النجم من مركز المجرة. .

فهم دوران المجرة

قام العلماء برسم سرعة كل نجم مقابل المسافة التي يفصله عنها لتوليد منحنى دوران، وهو رسم بياني قياسي في علم الفلك يمثل مدى سرعة دوران المادة على مسافة معينة من مركز المجرة. يمكن لشكل هذا المنحنى أن يعطي العلماء فكرة عن مقدار المادة المرئية والمظلمة الموزعة في جميع أنحاء المجرة.

تقول لينا نجيب، الأستاذة المساعدة في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “ما فوجئنا حقًا برؤيته هو أن هذا المنحنى ظل مسطحًا، مسطحًا، مسطحًا لمسافة معينة، ثم بدأ في الانخفاض”. “وهذا يعني أن النجوم الخارجية تدور بشكل أبطأ قليلا من المتوقع، وهي نتيجة مفاجئة للغاية.”

تشير دراسة أجراها فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن قلب الجاذبية لمجرة درب التبانة قد يكون أخف في الكتلة، ويحتوي على كمية أقل من المادة المظلمة، مما كان يعتقد سابقا. مصدر الصورة: ESA/Gaia/DPAC، تحرير أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

تحدي نظريات المادة المظلمة

قام الفريق بترجمة منحنى الدوران الجديد إلى توزيع للمادة المظلمة التي يمكن أن تفسر تباطؤ النجوم الخارجية، ووجدوا أن الخريطة الناتجة أنتجت نواة مجرة ​​أخف من المتوقع. أي أن مركز مجرة ​​درب التبانة قد يكون أقل كثافة، ويحتوي على مادة مظلمة أقل مما يعتقد العلماء.

يقول نجيب: “هذا يضع هذه النتيجة في حالة توتر مع قياسات أخرى”. “هناك شيء مريب يحدث في مكان ما، ومن المثير حقًا معرفة مكان ذلك، للحصول على صورة متماسكة لمجرة درب التبانة.”

يعلن الفريق عن نتائجه هذا الشهر في الإشعارات الشهرية لمجلة الجمعية الملكية. المؤلفون المشاركون في الدراسة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بما في ذلك نسيب، هم المؤلف الأول شياووي أو، وآنا كريستينا إيلرز، وآنا فريبيل.

“في العدم”

مثل معظم المجرات في الكون، تدور مجرة ​​درب التبانة مثل الماء في دوامة، ودورانها مدفوع جزئيًا بكل المادة التي تدور داخل قرصها. في السبعينيات، كانت عالمة الفلك فيرا روبين أول من لاحظ أن المجرات تدور بطرق لا يمكن أن تحركها المادة المرئية بحتة. قامت هي وزملاؤها بقياس السرعة الدائرية للنجوم، ووجدوا أن منحنيات الدوران الناتجة كانت مسطحة بشكل مدهش. وهذا يعني أن سرعة النجوم ظلت كما هي في جميع أنحاء المجرة، بدلًا من أن تنخفض مع المسافة. وخلصوا إلى أن نوعًا آخر من المادة غير المرئية يجب أن يؤثر على النجوم البعيدة لمنحهم دفعة إضافية.

كان عمل روبن في منحنيات الدوران أحد الأدلة القوية الأولى على وجود المادة المظلمة، وهي كيان غير مرئي وغير معروف يُقدر أنه يفوق كل النجوم والمواد المرئية الأخرى في الكون.

ومنذ ذلك الحين، لاحظ علماء الفلك منحنيات مسطحة مماثلة في المجرات البعيدة، مما يدعم وجود المادة المظلمة. في الآونة الأخيرة فقط، حاول علماء الفلك رسم منحنى الدوران في مجرتنا بالنجوم.

يقول أو: “اتضح أنه من الصعب قياس منحنى الدوران عندما تكون جالسًا داخل مجرة”.

رؤى جديدة من بيانات غايا

في عام 2019، عملت آنا كريستينا إيلرز، أستاذة الفيزياء المساعدة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، على رسم منحنى دوران درب التبانة، باستخدام مجموعة سابقة من البيانات الصادرة عن القمر الصناعي جايا. وشمل إصدار البيانات هذا نجومًا تبعد مسافة تصل إلى 25 كيلو فرسخ فلكي، أو حوالي 81000 سنة ضوئية، من مركز المجرة.

بناءً على هذه البيانات، لاحظ إيلرز أن منحنى دوران مجرة ​​درب التبانة يبدو مسطحًا، وإن كان مع انخفاض طفيف، على غرار المجرات الأخرى البعيدة، وبالاستدلال، من المحتمل أن المجرة تحمل كثافة عالية من المادة المظلمة في قلبها. لكن هذا الرأي تغير الآن، حيث أصدر التلسكوب مجموعة جديدة من البيانات، تتضمن هذه المرة نجومًا بعيدة تصل إلى 30 كيلو فرسخًا فلكيًا، أي ما يقرب من 100 ألف سنة ضوئية من قلب المجرة.

يقول فريبل: “عند هذه المسافات، نكون على حافة المجرة حيث تبدأ النجوم في التلاشي”. “لم يستكشف أحد كيف تتحرك المادة في هذه المجرة الخارجية، حيث نحن بالفعل في العدم.”

توتر غريب

قفز فريبل ونجيب وأو وإيلرز إلى بيانات جايا الجديدة، متطلعين إلى التوسع في منحنى الدوران الأولي لإيلرز. لتحسين تحليلهم، أكمل الفريق بيانات جايا بقياسات بواسطة APOGEE – تجربة تطور المجرة الخاصة بمرصد أباتشي بوينت، والتي تقيس الخصائص التفصيلية للغاية لأكثر من 700000 نجم في درب التبانة، مثل سطوعها ودرجة حرارتها وتكوينها العنصري.

يوضح أو: “نقوم بإدخال كل هذه المعلومات في خوارزمية لمحاولة تعلم الروابط التي يمكن أن تعطينا بعد ذلك تقديرات أفضل لمسافة النجم”. “هذه هي الطريقة التي يمكننا بها الدفع إلى مسافات أبعد.”

وحدد الفريق المسافات الدقيقة لأكثر من 33000 نجم واستخدم هذه القياسات لإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للنجوم المنتشرة عبر درب التبانة إلى حوالي 30 كيلو فرسخ فلكي. ثم قاموا بدمج هذه الخريطة في نموذج للسرعة الدائرية، لمحاكاة السرعة التي يجب أن يتحرك بها أي نجم، مع الأخذ في الاعتبار توزيع جميع النجوم الأخرى في المجرة. ثم قاموا برسم سرعة كل نجم ومسافته على مخطط لإنتاج منحنى دوران محدث لمجرة درب التبانة.

يقول نجيب: “هنا جاءت الغرابة”.

وبدلاً من رؤية انخفاض طفيف مثل منحنيات الدوران السابقة، لاحظ الفريق أن المنحنى الجديد انخفض بقوة أكبر من المتوقع عند الطرف الخارجي. يشير هذا التراجع غير المتوقع إلى أنه في حين أن النجوم قد تنتقل بنفس السرعة إلى مسافة معينة، فإنها تتباطأ فجأة عند المسافات الأبعد. يبدو أن النجوم الموجودة في الضواحي تتحرك بشكل أبطأ من المتوقع.

استكشاف أسرار المجرة

وعندما ترجم الفريق منحنى الدوران هذا إلى كمية المادة المظلمة التي يجب أن تكون موجودة في جميع أنحاء المجرة، وجدوا أن قلب مجرة ​​درب التبانة قد يحتوي على مادة مظلمة أقل مما كان مقدرا سابقا.

يقول نجيب: “تتعارض هذه النتيجة مع قياسات أخرى”. “إن فهم هذه النتيجة حقًا سيكون له تداعيات عميقة. قد يؤدي هذا إلى المزيد من الكتل الخفية خارج حافة القرص المجري، أو إعادة النظر في حالة توازن مجرتنا. ونحن نسعى للعثور على هذه الإجابات في العمل القادم، باستخدام محاكاة عالية الدقة للمجرات الشبيهة بدرب التبانة.

المرجع: “تم استنتاج صورة المادة المظلمة لمجرة درب التبانة من منحنى سرعتها الدائرية” بقلم شياووي أو، وآنا كريستينا إيلرز، ولينا نجيب، وآنا فريبيل، 08 يناير 2024، الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
دوى: 10.1093/mnras/stae034

تم تمويل هذا البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.