النجوم الخارجية البطيئة في درب التبانة تضخم المادة المظلمة

معدراسة تظهر المظهر الخارجي درب التبانة تدور النجوم ببطء، مما يشير إلى نواة أخف تحتوي على مادة مظلمة أقل، وهو ما يتعارض مع الافتراضات السابقة.

ومن خلال قياس سرعة النجوم عبر مجرة ​​درب التبانة، وجد فيزيائيون من 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 مركز الجاذبية في درب التبانة أخف وزنًا ويحتوي على مادة مظلمة أقل مما كان يُعتقد سابقًا.

وتستند النتائج الجديدة إلى تحليل جماعي للبيانات المأخوذة بواسطة أدوات Gaia وAPOGEE. Gaia هو تلسكوب فضائي يدور حول الأرض ويتتبع الموقع الدقيق والمسافة والحركة لأكثر من مليار نجم عبر مجرة ​​درب التبانة، في حين أن APOGEE هو مسح أرضي. وقام الفيزيائيون بتحليل قياسات أكثر من 33000 نجم، بما في ذلك بعض النجوم البعيدة في المجرة، وحسبوا “السرعة الدائرية” لكل نجم، أو مدى سرعة دوران النجم حول قرص المجرة، بالنظر إلى مسافة النجم من مركز المجرة.

فهم دورة المجرة

قام العلماء برسم سرعة كل نجم مقابل بعدها لإنشاء منحنى دوران، وهو رسم بياني قياسي في علم الفلك يوضح مدى سرعة دوران المجرة على مسافة معينة من مركزها. يمكن لشكل هذا المنحنى أن يعطي العلماء فكرة عن مقدار المادة المرئية والمظلمة الموزعة في جميع أنحاء المجرة.

وقالت لينا نيسيب، الأستاذة المساعدة في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لقد فوجئنا برؤية المنحنى كان مسطحًا، مسطحًا، مسطحًا حتى مسافة معينة”.

تشير دراسة أجراها فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن مركز الجاذبية في درب التبانة قد يكون أخف وزنا ويحتوي على مادة مظلمة أقل مما كان يعتقد سابقا. مصدر الصورة: ESA/Gaia/DPAC، تم تحريره بواسطة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

تحدي نظريات المادة المظلمة

وترجم الفريق منحنى الدوران الجديد إلى توزيع للمادة المظلمة، وهو ما يفسر الحالة الأبطأ للنجوم الخارجية، وأنتجت الخريطة الناتجة مركزًا مجريًا أخف من المتوقع. وهذا يعني أن مركز درب التبانة قد يكون أقل كثافة، مع كمية أقل من المادة المظلمة، مما يعتقد العلماء.

يقول نسيب: “هذا يضع هذه النتيجة في حالة توتر مع مقاييس أخرى”. “هناك شيء مريب يحدث في مكان ما، ومن المثير حقًا معرفة مكانه والحصول على صورة متماسكة لدرب التبانة.”

وتعلن اللجنة النتائج التي توصلت إليها هذا الشهر 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 بجميع المواد التي تدور في قرصها. في السبعينيات، اكتشفت عالمة الفلك فيرا روبين لأول مرة أن المجرات تدور بطرق لا يمكن أن تحركها مادة مرئية بحتة. قامت هي وزملاؤها بقياس السرعات الدائرية للنجوم، ووجدوا أن منحنيات الدوران الناتجة كانت مسطحة بشكل مدهش. وهذا يعني أن سرعة النجوم كانت هي نفسها في جميع أنحاء المجرة، ولكنها تتناقص مع المسافة. وخلصوا إلى أن نوعًا آخر من المواد غير المرئية لا بد أن يمارس ضغطًا إضافيًا على النجوم البعيدة.

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

منذ 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 دوران مجرتنا بالنجوم.

يقول أوو: “من الصعب قياس منحنى الدوران عندما تكون داخل مجرة”.

رؤى جديدة من بيانات غايا

في عام 2019، عملت آنا كريستينا إيلرز، الأستاذة المساعدة في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، على رسم منحنى دوران درب التبانة باستخدام مجموعة بيانات سابقة أصدرها القمر الصناعي جايا. يتضمن ناتج البيانات هذا نجومًا تقع ضمن مسافة 25 كيلو فرسخ فلكي، أو حوالي 81000 سنة ضوئية، من مركز المجرة.

بناءً على هذه البيانات، لاحظ إيلرز أن منحنى دوران مجرة ​​درب التبانة، على الرغم من أنه يبدو مسطحًا، يبدو أن له ميلًا طفيفًا مشابهًا لميل المجرات البعيدة الأخرى، مما يشير إلى أن المجرة لديها نواة أكثر كثافة في قلبها. لكن هذا الرأي تغير الآن، حيث أصدر التلسكوب مجموعة جديدة من البيانات، بما في ذلك هذه المرة نجوم تبعد 30 كيلو فرسخ فلكي، أي ما يقرب من 100 ألف سنة ضوئية من مركز المجرة.

يقول فريبل: “في هذه المسافات، نحن على حافة المجرة حيث بدأت النجوم في النفاد”. “لم يستكشف أحد كيف تتحرك المادة في هذه المجرة الخارجية، حيث نحن لا شيء حرفيًا.”

توتر مختلف

قفز فريبل ونسيب وأو وإيلرز على بيانات جايا الجديدة وحاولوا توسيع منحنى الدوران الأولي لإيلرز. ولتحسين تحليلهم، أكمل الفريق بيانات جايا بقياسات من APOGEE – تجربة تطور المجرة الخاصة بمرصد Apache Point، والتي تقيس الخصائص الأكثر تفصيلاً لـ 700000 نجم في درب التبانة، مثل السطوع ودرجة الحرارة والتركيب العنصري.

يوضح أو: “نقوم بإدخال هذه المعلومات إلى خوارزمية لمعرفة الروابط التي يمكن أن تعطينا تقديرات أفضل لمسافة النجم”. “وبهذه الطريقة يمكننا أن نتقدم أبعد.”

وحدد الفريق مسافات دقيقة لأكثر من 33000 نجم واستخدم هذه القياسات لإنشاء خريطة ثلاثية الأبعاد للنجوم المنتشرة عبر درب التبانة إلى حوالي 30 كيلو فرسخ فلكي. قاموا بدمج هذه الخريطة في نموذج سرعة دائرية لمحاكاة مدى سرعة انتقال أي نجم معين، مع الأخذ في الاعتبار توزيع جميع النجوم الأخرى في المجرة. لقد رسموا سرعة ومسافة كل نجم على مخطط لإنشاء منحنى دوران محدث لدرب التبانة.

يقول نسيب: “هنا تكمن الغرابة”.

وبدلاً من رؤية انخفاض طفيف مثل المنحنيات الدورية السابقة، لاحظ الفريق أن المنحنى الجديد انخفض بقوة أكبر من المتوقع عند الطرف الخارجي. ويحدث هذا التباطؤ غير المتوقع عندما تسافر النجوم بسرعة لمسافة معينة، ولكنها تتباطأ فجأة لمسافة أبعد. يبدو أن النجوم في الضواحي يسافرون 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 أنه قد تكون هناك مادة مظلمة أقل في مركز درب التبانة مما كان مقدرا سابقا.

يقول نسيب: “تتعارض هذه النتيجة مع مقاييس أخرى”. “في الواقع، سيكون لفهم هذه النتيجة عواقب وخيمة. فقد يؤدي ذلك إلى ظهور كتل مخفية خارج حافة القرص المجري أو إعادة تقييم حالة التوازن في مجرتنا. وباستخدام محاكاة عالية الدقة للمجرات مثل درب التبانة، نسعى للعثور على هذه الإجابات في العمل القادم.”

المرجع: Xiaowei Ou، Anna-Christina Eilers، Lina Necib وAnna Frebel، 08 يناير 2024، “استدلال ملف المادة المظلمة في درب التبانة من منحنى سرعتها الدائرية” الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
دوى: 10.1093/mnras/stae034

تم تمويل هذا البحث جزئيًا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم.