کشف سومین کهکشان بدون ماده تاریک؛ معمایی که شاید راز بزرگ کیهان را حل کند

بیشتر جرم موجود در کهکشان‌ها از عنصری نامرئی تشکیل شده که دانشمندان آن را ماده تاریک می‌نامند. بر اساس مدل‌های پذیرفته‌شده کنونی، کهکشان‌ها درون هاله‌های عظیم ماده تاریک شکل می‌گیرند؛ ساختارهایی نامرئی که مانند داربست‌های گرانشی عمل می‌کنند و با نیروی گرانش خود، گاز و ماده معمولی را گرد هم می‌آورند تا ستارگان و کهکشان‌ها شکل بگیرند.

به همین دلیل، کشف کهکشانی در فاصله ۶۷ میلیون سال نوری از زمین که ظاهراً بدون ماده تاریک وجود دارد، هم شگفت‌آور است و هم می‌تواند سرنخ‌های مهمی درباره یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان در اختیار دانشمندان قرار دهد.

کهکشان مورد نظر که NGC 1052-DF9 نام دارد، سومین نمونه شناخته‌شده‌ای است که حرکت ستاره‌ها و خوشه‌های ستاره‌ای آن را می‌توان بدون در نظر گرفتن حضور ماده تاریک توضیح داد. پیش از این، دو کهکشان دیگر به نام‌های DF2 و DF4 نیز چنین ویژگی غیرمنتظره‌ای را نشان داده بودند.

نکته عجیب‌تر آن است که هر سه کهکشان به ساختاری مشترک تعلق دارند. آن‌ها بخشی از رشته‌ای متشکل از حدود ۱۲ کهکشان کم‌نور هستند که در قالب آرایشی که از دور مانند زنجیری از الماس‌ها به نظر می‌رسد، به صورت خطی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.

مایکل کیم، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ییل و سرپرست پژوهش، می‌گوید: «تقریباً همه کهکشان‌های شناخته‌شده تحت سلطه ماده تاریک هستند، اما DF2، DF4 و اکنون DF9 استثناهایی خارق‌العاده به شمار می‌روند. یافته‌های ما از روشن‌ترین شواهدی هستند که نشان می‌دهند این کهکشان‌ها در جریان رویدادی بسیار سهمگین و مشترک شکل گرفته‌اند که ماده معمولی را از ماده تاریک جدا کرده است.»

ماده تاریک یکی از اسرار بنیادی کیهان است. دانشمندان هنوز نمی‌دانند این ماده از چه چیزی تشکیل شده، اما شواهد فراوان نشان می‌دهد نقش مهمی در شکل‌گیری و تکامل ساختارهای بزرگ کیهانی دارد.

وقتی جرم تمام اجسام مرئی جهان، ازجمله ستارگان، سیاره‌ها، گازها، غبار میان‌ستاره‌ای، کهکشان‌ها و حتی سیاه‌چاله‌ها محاسبه می‌شود، مقدار آن برای توضیح نیروی گرانشی مشاهده‌شده کافی نیست. به بیان دیگر، چیزی نامرئی باید وجود داشته باشد که گرانش اضافی ایجاد می‌کند. این ماده ناشناخته که فقط اثر گرانشی آن قابل مشاهده است، ماده تاریک نامیده می‌شود و جرم آن حدود پنج برابر بیشتر از ماده معمولی جهان است.

به اعتقاد اخترشناسان، تقریباً همه کهکشان‌ها درون هاله‌های بزرگی از ماده تاریک قرار گرفته‌اند. کهکشان راه شیری نیز از این قاعده مستثنی نیست. به همین دلیل، تصور وجود کهکشانی بدون ماده تاریک، با درک کنونی دانشمندان از چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها سازگار نیست.

ماجرا در سال ۲۰۱۸ آغاز شد. در آن زمان، پیتر فن دوکوم، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ییل، و همکارانش در مقاله‌ای اعلام کردند که کهکشان DF2 بسیار کمتر از مقدار مورد انتظار ماده تاریک دارد. این نتیجه بسیاری از اخترشناسان را شگفت‌زده کرد. شاید یک نمونه غیرعادی می‌توانست ناشی از خطا یا استثنایی نادر باشد، اما در سال ۲۰۱۹ همان گروه پژوهشی کهکشان دیگری به نام DF4 را معرفی کرد که ویژگی‌های مشابهی داشت و در همان ناحیه از فضا قرار گرفته بود.

شگفتی‌ها به همین‌جا ختم نشد. در سال ۲۰۲۲، پژوهشگران نشان دادند که DF2 و DF4 بخشی از زنجیره‌ای شامل حدود ۱۲ کهکشان کم‌نور هستند که در امتداد خطی باریک قرار گرفته‌اند. سه سال بعد، در سال ۲۰۲۵، مطالعه‌‌ای دیگر نشان داد تمامی اعضای این رشته نه‌تنها در کنار هم قرار دارند، بلکه حرکتشان در فضا نیز مشابه است. این موضوع احتمال منشأ مشترک آن‌ها را تقویت کرد.

پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که اگر دو عضو این رشته فاقد ماده تاریک هستند، احتمال دارد که کهکشان‌های دیگری در این ساختار نیز همین ویژگی را داشته باشند.

در میان اعضای این رشته، کهکشان DF9 بیش از همه به DF2 و DF4 شباهت داشت. اندازه، درخشندگی و تعداد خوشه‌های ستاره‌ای آن تقریباً مشابه دو کهکشان دیگر بود و همین موضوع آن را به بهترین گزینه برای بررسی تبدیل کرد. بررسی‌های دقیق‌تر نشان داد حرکت ستاره‌ها و اجرام موجود در DF9 نیز بدون در نظر گرفتن حضور ماده تاریک قابل توضیح است.

اما چه اتفاقی می‌تواند چنین کهکشان‌هایی را ساخته باشد؟ دانشمندان هنوز پاسخ قطعی برای این پرسش ندارند، اما یکی از توضیحات احتمالی، پدیده‌ای موسوم به «برخورد گلوله‌ای کهکشان‌های کوتوله» است.

اما گازهای موجود در دو کهکشان رفتار متفاوتی دارند. ابرهای گازی هنگام مواجهه کهکشان‌ها به یکدیگر برخورد می‌کنند، سرعتشان کاهش می‌یابد و در محل برخورد باقی می‌مانند. در نتیجه، منطقه‌ای شکل می‌گیرد که سرشار از ماده معمولی است اما مقدار اندکی ماده تاریک در آن وجود دارد. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان می‌دهد این گازهای باقی‌مانده می‌توانند متراکم شوند، ستارگان جدید را شکل دهند و در نهایت کهکشان‌های کوچکی را به وجود آورند که تقریباً فاقد ماده تاریک هستند.

این نتیجه نه‌تنها می‌تواند منشأ کهکشان‌های عجیب را توضیح دهد، بلکه اطلاعات ارزشمندی درباره ماهیت واقعی ماده تاریک نیز در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد.

پیتر فن دوکوم می‌گوید: «این کشف شواهد محکمی ارائه می‌کند که نشان می‌دهد ماده تاریک احتمالاً واقعاً وجود دارد و صرفاً حاصل نادرست‌بودن درک ما از گرانش نیست. این موضوع به‌ویژه در مورد کهکشان‌های کوتوله اهمیت زیادی دارد، زیرا برخی نظریه‌های جایگزین گرانش دقیقاً در این مقیاس بیش از همه مورد بحث و آزمایش قرار گرفته‌اند.

پژوهشگران قصد دارند اعضای دیگر این رشته عجیب از کهکشان‌ها را نیز بررسی کنند. اگر نمونه‌های بیشتری از کهکشان‌های فاقد ماده تاریک در این ساختار پیدا شوند، شاید سرانجام دانشمندان بتوانند پرده از یکی از پیچیده‌ترین اسرار جهان بردارند.

پژوهش در ژورنال The Astrophysical Journal منتشر شده است.