چیزی بسیار تاریک‌تر از یک سیاه‌چاله شاید در قلب کهکشان راه شیری پنهان شده باشد

تردیدی نیست که جرمی عظیم در قلب کهکشان راه شیری کمین کرده است؛ اما یک پژوهش تازه این پرسش را مطرح می‌کند که آیا «سیاه‌چاله‌ی ابرپرجرم» تنها توضیح ممکن برای آن چیزی است که آن‌جا قرار دارد؟

به گزارش انتخاب و به نقل از  sciencealert ؛ تمام اندازه‌گیری‌هایی که تاکنون از مرکز کهکشان انجام شده، با وجود جرمی فوق‌العاده چگال و حدود چهار میلیون برابر پرجرم‌تر از خورشید سازگار است. با این حال، مقاله‌ی جدید می‌گوید اگر کمی با دقت بیشتری نگاه کنیم، تمام این شواهد می‌توانند با سناریوی دیگری هم همخوانی داشته باشند: توده‌ای عظیم و فشرده از ماده‌ی تاریک فرمیونی، بدون افق رویداد.

در حال حاضر، دقت رصدهای ما آن‌قدر نیست که بتوانیم میان این دو مدل تفاوت قائل شویم. اما اگر هسته‌ی کهکشانی از ماده‌ی تاریک تشکیل شده باشد، اخترشناسان به ابزاری تازه برای تفسیر ساختار ماده‌ی تاریک در کل کهکشان دست خواهند یافت.

کارلوس آرگوئلس، اخترفیزیک‌دان مؤسسه‌ی اخترفیزیک لاپلاتا در آرژانتین، توضیح می‌دهد:
«ما صرفاً سیاه‌چاله را با یک جسم تاریک جایگزین نمی‌کنیم؛ ما پیشنهاد می‌کنیم که جرم ابرپرجرم مرکزی و هاله‌ی ماده‌ی تاریک کهکشان، دو جلوه از یک ماده‌ی پیوسته و واحد هستند.»

ماده‌ی تاریک یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان است. دانشمندان می‌توانند مقدار ماده‌ی معمولی جهان را با دقت بسیار بالا محاسبه کنند، اما وقتی همه‌چیز جمع زده می‌شود، گرانش مشاهده‌شده بسیار بیشتر از چیزی است که این ماده‌ی مرئی بتواند توضیح دهد.

عامل این گرانش اضافی نه نور جذب می‌کند و نه از خود نور ساطع می‌کند؛ ما فقط از طریق اثرات گرانشی‌اش می‌دانیم که وجود دارد. این همان ماده‌ی تاریک است؛ ماده‌ای که مسئول بخش بزرگی از گرانش کیهان بوده و حدود ۸۴ درصد از کل «بودجه‌ی ماده»‌ی جهان را تشکیل می‌دهد.

روش تأیید وجود و اندازه‌گیری جرم جسم عظیم مرکز راه شیری نیز بر پایه‌ی گرانش بوده است: ردیابی مسیرهای کشیده و پیچان و تغییر سرعت ستارگان بسیار سریعی که به دور مرکز کهکشان می‌چرخند.

ساده‌ترین توضیح برای این جرم—با کمترین فرضیات اضافی—وجود یک سیاه‌چاله‌ی ابرپرجرم به نام «قوس A*» (Sagittarius A*) است. حتی در سال ۲۰۲۲، تصویری که همکاری تلسکوپ افق رویداد (EHT) منتشر کرد، چیزی شبیه «سایه»‌ی این سیاه‌چاله را نشان می‌داد.

اما این تنها توضیح ممکن نیست. برای نمونه، پژوهش‌های پیشین نشان داده‌اند که یک قرص برافزایشی درخشان پیرامون توده‌ای متراکم از ماده‌ی تاریک نیز می‌تواند سایه‌ای بسیار شبیه به آنچه EHT ثبت کرده ایجاد کند.

اکنون تیمی بین‌المللی به رهبری والنتینا کرِسپی، اخترفیزیک‌دان مؤسسه‌ی اخترفیزیک لاپلاتا، می‌خواستند این ایده را یک گام جلوتر ببرند: آیا مدارهای مشاهده‌شده‌ی ستارگان اطراف قوس A* را هم می‌توان با یک هسته‌ی ماده‌ی تاریک توضیح داد؟

برخی مدل‌های ماده‌ی تاریک بسیار رقیق و پخشیده‌اند، اما یکی از نامزدها امکان تشکیل توده‌های چگال را می‌دهد: ماده‌ی تاریک فرمیونی. این ذرات از قوانین کوانتومی پیروی می‌کنند که اجازه نمی‌دهد بی‌نهایت فشرده شوند—مشابه رفتاری که الکترون‌ها و نوترون‌ها دارند و زیر یک حد چگالی مشخص، نمی‌توان آن‌ها را بیشتر فشرد.

نتیجه‌ی نظری چنین مدلی، توده‌ای فوق‌چگال و از نظر گرانشی پایدار است؛ چیزی شبیه کوتوله‌ی سفید یا ستاره‌ی نوترونی، اما ساخته‌شده از فرمیون‌های ماده‌ی تاریک، نه ذرات معمولی.

سؤال کلیدی این است: اگر چنین جرمی در مرکز کهکشان قرار داشته باشد، آیا رفتار ستارگان در حال گردش پیرامون آن تفاوتی نشان می‌دهد؟

چندین ستاره—که به آن‌ها «ستارگان S» گفته می‌شود—با رقص مداری پیچیده‌ی خود پیرامون مرکز کهکشان، پتانسیل گرانشی جرم مرکزی را ترسیم می‌کنند. مهم‌ترینِ آن‌ها ستاره‌ای به نام S2 است، زیرا مدار نسبتاً کوتاهِ ۱۶ساله‌ای دارد که با دقتی استثنایی رصد و تحلیل شده است.

پژوهشگران رفتار S2 را هم در چارچوب مدل سیاه‌چاله‌ی کلاسیک برای قوس A* و هم در سناریوی توده‌ی ماده‌ی تاریک فرمیونی شبیه‌سازی کردند.

نتیجه شگفت‌انگیز بود: هر دو مدل حرکت این ستاره را با دقتی تقریباً یکسان بازتولید کردند. بنابراین این یافته نمی‌گوید قوس A* قطعاً از ماده‌ی تاریک ساخته شده است؛ بلکه نشان می‌دهد که می‌تواند چنین باشد—و داده‌های کنونی برای تشخیص قطعی کافی نیستند.

با این حال، یک نکته‌ی دیگر به سود مدل ماده‌ی تاریک فرمیونی است. نقشه‌ی کهکشان راه شیری که فضاپیمای «گایا» تهیه کرده—جامع‌ترین نقشه تا امروز—نشان می‌دهد که سرعت چرخش کهکشان در فواصل دورتر از مرکز کاهش می‌یابد.

به گفته‌ی پژوهشگران، این «افت کپلری» با وجود یک هاله‌ی عظیم و گسترده از ماده‌ی تاریک فرمیونی که راه شیری را دربر گرفته، ساده‌تر توضیح داده می‌شود تا با بسیاری از مدل‌های دیگر ماده‌ی تاریک.

آرگوئلس می‌گوید:
«این نخستین بار است که یک مدل ماده‌ی تاریک موفق می‌شود این مقیاس‌های کاملاً متفاوت و مدارهای گوناگون اجرام—از منحنی چرخش کهکشان گرفته تا داده‌های ستارگان مرکزی—را به‌طور هم‌زمان به هم پیوند دهد.»

رصدهای آینده می‌توانند به حل این پرسش جذاب درباره‌ی ماهیت واقعی قوس A* کمک کنند. برای مثال، مشاهدات بلندمدت ممکن است ویژگی‌های ظریفی در مدار ستارگان آشکار کند که کفه‌ی ترازو را به نفع یکی از این توضیح‌ها سنگین‌تر کند. همچنین ستارگانی که حتی نزدیک‌تر از S2 به قوس A* می‌چرخند، می‌توانند سرنخ‌های تازه‌ای در اختیار ما بگذارند.

علاوه بر این، رصدهای آینده با تلسکوپ افق رویداد ممکن است جزئیات دقیق‌تری از ناحیه‌ی خمیدگی نور پیرامون قوس A* را آشکار کند. برخی ویژگی‌های خاصِ گرانش افراطی سیاه‌چاله‌ها—مانند حلقه‌ی مشخص فوتون—اگر جرم مرکزی به‌جای سیاه‌چاله، هسته‌ای از ماده‌ی تاریکِ بدون افق رویداد باشد، ممکن است وجود نداشته باشند یا به شکلی متفاوت دیده شوند.