احتمالا جرم مرکزی راه شیری سیاه‌چاله نیست!

خبرگزاری ایسنا: در مرکز کهکشان ما، چیزی فوق‌العاده سنگین رشته‌های گرانشی را می‌کشد. ستارگان در آنجا با سرعت‌های سرسام‌آور به دور آن می‌چرخند، گاز گرم می‌شود و می‌درخشد و حتی به نظر می‌رسد خود نور نیز خم می‌شود. سال‌هاست که ستاره‌شناسان با این جرم به عنوان یک ابرسیاه‌چاله به نام کمان ای*(*Sagittarius A) رفتار می‌کنند.

به گفته آی‌ای، با این حال، یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که ممکن است ما آن را اشتباه شناسایی کرده باشیم و هسته کهکشان راه شیری به جای یک گودال گرانشی بی‌انتها می‌تواند با یک شکل عجیب و غریب و فوق‌العاده متراکم از ماده تاریک پر شده باشد؛ آنقدر فشرده که بدون اینکه واقعاً سیاه‌چاله باشد، مانند یک سیاه‌چاله رفتار می‌کند.

اگر این ایده درست باشد، می‌تواند نحوه تفکر دانشمندان در مورد سیاه‌چاله‌ها و نقشی که ماده تاریک در ساختار کل کهکشان‌ها ایفا می‌کند را تغییر دهد.

یک گسست بزرگ کیهانی

مشکل دیرینه در فیزیک کهکشانی، مقیاس است. ستاره‌شناسان، نزدیک به مرکز کهکشان راه شیری، حرکت ستارگان موسوم به S را ردیابی می‌کنند که در مدارهای بسیار فشرده با سرعت هزاران کیلومتر در ثانیه به دور جرم مرکزی نامرئی می‌چرخند. این حرکات مستلزم چیزی هم عظیم و هم فشرده هستند.

کهکشان در فواصل بیشتر از مرکز خود، یعنی ده‌ها هزار سال نوری دورتر، رفتار بسیار متفاوتی دارد. به عنوان مثال، ستارگان کندتر می‌چرخند و اندازه‌گیری‌های اخیر از ماموریت Gaia DR3 آژانس فضایی اروپا نشان می‌دهد که این چرخش با فاصله به شکلی کاهش می‌یابد که شبیه حرکت کلاسیک و کپلر است.

به طور سنتی، این دو منطقه با استفاده از اجزای مختلف توضیح داده می‌شوند: یک ابرسیاه‌چاله برای مرکز و یک ابر گسترده از ماده تاریک سرد برای حومه. مشکل این است که این مدل‌ها به طور طبیعی به هم متصل نیستند.

نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می‌کنند: چنین پیکربندی‌های بدون افق می‌توانند اثرات نسبیتی اندازه‌گیری شده برای مدار S2 را بازتولید کنند، در حالی که بخشی از یک پیکربندی پیوسته واحد هستند که هاله گسترده آن آخرین منحنی چرخش GAIA-DR3 را بازتولید می‌کند.

هاله‌های ماده تاریک سرد استاندارد تمایل دارند به طور یکنواخت پخش شوند و دنباله‌های بلندی را دنبال کنند که به راحتی شکل دقیق منحنی چرخش مشاهده شده کهکشان راه شیری، به ویژه کاهش کپلری مشاهده شده توسط «گایا» را بازتولید نمی‌کنند.

این گسستگی همان چیزی است که محققان را به بررسی یک احتمال متفاوت ترغیب کرد.

یک راه حل تاریک واحد

تیم تحقیقاتی با تمرکز بر ماده تاریک فرمیونی (ذراتی که از قوانین کوانتومی پیرایشان می‌کنند و مانع از فشرده شدن نامحدود در یک فضا می‌شوند) رویکرد متفاوتی را در پیش گرفتند.

در مدل آنها فرض می‌شود ذرات ماده تاریک دارای محدوده جرمی خاصی هستند که اجازه می‌دهد اثرات کوانتومی در مقیاس‌های کهکشانی مهم شوند. هنگامی که مقدار کافی از این ماده جمع می‌شود، یک هسته مرکزی پایدار و بسیار متراکم را تشکیل می‌دهد که توسط یک هاله پراکنده‌تر احاطه شده است. این ساختار واحد، دو کار را به طور همزمان انجام می‌دهد.

هسته فشرده می‌تواند مدارهای مشاهده شده ستاره‌های S و اجرام احاطه شده توسط غبار نزدیک که به عنوان منابع G شناخته می‌شوند را بازتولید کند و تقریباً همان کشش گرانشی مورد انتظار از یک ابرسیاه‌چاله را اعمال کند.

در عین حال، هاله اطراف به طور طبیعی کند شدن چرخش راه شیری در فواصل زیاد را هنگامی که با جرم ماده معمولی در دیسک و برآمدگی کهکشان ترکیب می‌شود، توضیح می‌دهد. برخلاف مدل‌های استاندارد ماده تاریک، هاله فرمیونی در شعاع‌های بزرگ فشرده‌تر می‌شود که به توضیح اینکه چرا «گایا» کاهش واضحی در سرعت‌های مداری می‌بیند، کمک می‌کند.

این تیم همچنین به یک آزمایش رصدی مهم پرداخت. محققان در کارهای مرتبط قبلی نشان دادند که وقتی گاز داغ به سمت چنین هسته متراکم ماده تاریک سقوط می‌کند، خم شدن نور می‌تواند یک منطقه مرکزی تاریک ایجاد کند که توسط یک حلقه روشن احاطه شده است.

این ویژگی سایه‌مانند شباهت زیادی به تصویر کمان A* دارد که توسط تلسکوپ افق رویداد گرفته شده است، حتی اگر هسته ماده تاریک هیچ افق رویدادی نداشته باشد.

آینده مرکز کهکشان راه شیری

اگر مرکز کهکشان راه شیری واقعاً تحت سلطه ماده تاریک فرمیونی باشد، به این معنی است که جرم مرکزی کهکشان و هاله ماده تاریک آن اجزای جداگانه‌ای نیستند.

کارلوس آرگولز(Carlos Argüelles)، یکی از نویسندگان این مطالعه و دانشمند مؤسسه اخترفیزیک لا پلاتا(La Plata) می‌گوید: ما فقط سیاه‌چاله را با یک جرم تاریک جایگزین نمی‌کنیم؛ ما پیشنهاد می‌کنیم که جرم مرکزی ابرپرجرم و هاله ماده تاریک کهکشان، دو نمود از یک ماده پیوسته هستند.

این یکی از اولین توضیحات یکپارچه‌ای را ارائه می‌دهد که گرانش شدید نزدیک مرکز کهکشان را با ساختار بزرگ‌مقیاس کهکشان مرتبط می‌کند. همچنین می‌تواند بر نحوه تفسیر اخترشناسان از نامزدهای سیاه‌چاله در کهکشان‌های دیگر تأثیر بگذارد و تلاش‌های آینده را برای شناسایی ماهیت واقعی ذرات ماده تاریک هدایت کند.

با این حال، این ایده هنوز قطعی نشده است. با داده‌های فعلی، حرکات ستارگان نزدیک مرکز کهکشان را می‌توان به یک اندازه توسط یک سیاه‌چاله یا توسط یک هسته متراکم ماده تاریک توضیح داد. این دو سناریو تنها از جهات ظریفی با هم متفاوت می‌شوند.

یکی از تمایزات کلیدی، وجود حلقه‌های فوتونی است که الگوهای نوری خاصی هستند که در اطراف سیاه‌چاله‌های واقعی انتظار می‌رود، اما در مدل‌های هسته ماده تاریک وجود ندارند.

مشاهدات آینده با ابزارهایی مانند تداخل‌سنج GRAVITY در تلسکوپ بسیار بزرگ و تلسکوپ بهبود یافته Event Horizon بسیار مهم خواهد بود.

نویسندگان این مطالعه نوشتند: داده‌های دقیق‌تر، به‌ویژه از ستارگان نزدیک‌تر به Sgr A، برای تمایز آماری بین مدل‌های در نظر گرفته شده ضروری است.

در حال حاضر، این مطالعه بحث را تغییر داده است و نشان می‌دهد که حتی شناخته‌شده‌ترین ساختار در همسایگی کیهانی ما هنوز هم ممکن است برای تفسیر مجدد باز باشد.

این مطالعه در مجله Monthly Notice of the Royal Astronomical Society منتشر شده است.