دیدن پدیده‌های نامرئی‌ شاید شبیه به یک پارادوکس کلاسیک باشد اما برای اخترشناسان جدید، یک چالش بسیار واقعی به شمار می‌رود. چگونه می‌توان ماده تاریک را که طبق تعریف آن هیچ نوری ساطع نمی‌کند، اندازه‌گیری کرد؟

پاسخ این است که می‌توان دید ماده تاریک چگونه روی چیزهای قابل دیدن تأثیر می‌گذارد. در مورد ماده تاریک، ستاره‌شناسان می‌بینند که نور کهکشان‌های دور چگونه در اطراف آن خم می‌شود.

یک گروه بین‌المللی از اخترفیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان، سال گذشته را برای کشف اسرار این ماده دست‌نیافتنی صرف کردند. آنها این کار را با استفاده از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای پیچیده و مشاهدات یکی از قوی‌ترین دوربین‌های نجومی جهان موسوم به «Hyper Suprime-Cam» یا «HSC» انجام داده‌اند.

دوربین نجومی HSC

این گروه پژوهشی به سرپرستی ستاره‌شناسان «دانشگاه پرینستون»(Princeton University) و جوامع نجومی ژاپن و تایوان، از داده‌های سه سال اول HSC در بررسی آسمان استفاده کردند. این یک تصویربرداری میدان وسیع بود که با تلسکوپ ۸.۲ متری «سوبارو»(Subaru) در هاوایی انجام شد. تلسکوپ سوبارو توسط «رصدخانه ملی ستاره‌شناسی ژاپن»(NAOJ) اداره می‌شود و نام آن یک واژه ژاپنی برای خوشه ستارگانی است که ما آن را «خوشه پروین»(Pleiades) می‌نامیم.

«روحی دلال»(Roohi Dalal)، دانشجوی کارشناسی ارشد اخترفیزیک دانشگاه پرینستون گفت: هدف کلی ما بررسی برخی از اساسی‌ترین ویژگی‌های جهان است. ما می‌دانیم که انرژی تاریک و ماده تاریک، ۹۵ درصد از جهان ما را تشکیل می‌دهند اما در ماهیت و چگونگی تکامل یافتن آنها در طول تاریخ جهان درک بسیار کمی داریم. توده‌های ماده تاریک، نور کهکشان‌های دور را منحرف می‌کنند. این پدیده توسط نظریه نسبیت عام اینشتین نیز پیش‌بینی شده است. این تحریف در واقع یک اثر بسیار کوچک به شمار می‌رود زیرا شکل یک کهکشان به اندازه نامحسوسی منحرف شده است اما وقتی این بررسی را برای ۲۵ میلیون کهکشان انجام می‌دهیم، می‌توانیم اعوجاج را با دقت بسیار بالایی اندازه‌گیری کنیم.

تلسکوپ سوبارو

«مایکل استراوس»(Michael Strauss)، رئیس بخش علوم اخترفیزیک دانشگاه پرینستون و یکی از سرپرست‌های گروه HSC گفت: ما هنوز نسبتا محتاط هستیم و نمی‌گوییم که کیهان‌شناسی مدرن به کلی اشتباه است زیرا همان طور که روحی دلال تأکید کرده، تأثیر اندازه‌گیری‌شده بسیار کم است. ما در حال حاضر باور داریم که اندازه‌گیری را درست انجام داده‌ایم اما از آنجا که ما در جامعه نجوم از آزمایش‌های متعدد به یک نتیجه می‌رسیم، به انجام دادن این اندازه‌گیری‌ها ادامه خواهیم داد تا مطمئن شویم که واقعی هستند.

این ایده که باید تغییراتی در مدل استاندارد کیهان‌شناسی اعمال شود و این که بخش اساسی کیهان‌شناسی هنوز کشف نشده، ایده‌ای جذاب برای برخی از دانشمندان است.

استراوس ادامه داد: ما انسان هستیم و ترجیحاتی داریم. به همین دلیل، ما چیزی را انجام می‌دهیم که آن را تحلیل «کور» می‌نامیم. دانشمندان آن قدر خودآگاه شده‌اند که بدانند ما صرف نظر از اینکه چقدر مراقب هستیم، سوگیری خواهیم کرد؛ مگر اینکه تجزیه و تحلیل خود را انجام دهیم بدون اینکه به خود اجازه دهیم نتایج را تا آخر بدانیم. من دوست دارم چیزی را پیدا کنم که اساسا جدید است. این واقعا هیجان‌انگیز خواهد بود اما از آنجا که من هم سوگیری‌هایی دارم، می‌خواهم بسیار مراقب باشیم و اجازه ندهیم که کشفیات جدید بر تحلیلی که انجام می‌دهیم تأثیر بگذارند.

این گروه پژوهشی، تجزیه و تحلیل‌های خود را روی سه کاتالوگ کهکشانی گوناگون انجام دادند که یکی از آنها واقعی بود و دو نمونه دیگر مقادیر تصادفی را در بر داشتند.

یک پژوهش بزرگ با بزرگترین دوربین تلسکوپ جهان

دوربین HSC، بزرگترین دوربین جهان به شمار می‌رود و روی یک تلسکوپ نصب شده که به اندازه خود آن است. این دوربین تا زمانی حفظ خواهد شد که «رصدخانه ورا روبین»(Vera Rubin Observatory) آماده کار کردن شود. این رصدخانه که در آغاز «تلسکوپ بزرگ سینوپتیک»(LSST) نامیده می‌شد، کار خود را در اواخر سال ۲۰۲۴ آغاز خواهد کرد. در واقع، داده‌های خام HSC با نرم‌افزار طراحی شده برای رصدخانه ورا روبین پردازش می‌شوند.

«آندرس پلازاس»(Andrés Plazas)، پژوهشگر دانشگاه پرینستون گفت: جالب است که ببینیم این نرم‌افزار می‌تواند چنین مقادیر زیادی از داده‌ را پیش از رصدخانه ورا روبین به خوبی مدیریت کند.

رصدخانه ورا روبین

۲۵ میلیون کهکشان مورد بررسی در این پژوهش، به قدری دور هستند که HSC به جای اینکه کهکشان‌ها را مانند امروز ببیند، وضعیت آنها را در میلیاردها سال پیش ثبت کرد. هر یک از این کهکشان‌ها با نور ده‌ها میلیارد خورشید می‌درخشند اما از آنجا که در فاصله بسیار دوری قرار دارند، بسیار کم‌نور هستند. آنها به اندازه ۲۵ میلیون بار کم‌نورتر از کم‌نورترین ستاره‌هایی هستند که می‌توانیم با چشم غیر مسلح ببینیم.

مدل استاندارد کیهان‌شناسی

«آندرینا نیکولا»(Andrina Nicola)، پژوهشگر «دانشگاه بن»(University of Bonn) در مورد این پروژه توضیح داد: مدل استاندارد کیهان‌شناسی از جهاتی به‌ طور شگفت‌انگیزی ساده است. این مدل نشان می‌دهد که جهان تنها از چهار مولفه اصلی ماده معمولی(اتم‌ها، عمدتاً هیدروژن و هلیوم)، ماده تاریک، انرژی تاریک و فوتون‌ها تشکیل شده است.

براساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی، جهان از زمان انفجار بزرگ در حال انبساط بوده است. جهان در آغاز تقریبا صاف بود اما کشش گرانش بر نوسانات ظریف جهان باعث شکل‌گیری ساختار کهکشان‌هایی شد که در توده‌های ماده تاریک احاطه شده‌اند. در جهان امروزی، سهم نسبی ماده معمولی، ماده تاریک و انرژی تاریک به ترتیب حدود پنج، ۲۵ و ۷۰ درصد است و فوتون‌ها سهم کوچکی دارند.

استراوس گفت: ما جامعه کیهان‌شناسی، روی این مدل توافق کرده‌ایم که از اوایل دهه ۲۰۰۰ وجود داشته است.

کیهان‌شناسان مشتاق هستند این مدل را با محدود کردن اعداد به روش‌های گوناگون آزمایش کنند؛ مانند مشاهده نوسانات در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و مدل‌سازی تاریخچه انبساط کیهان.

این گروه پژوهشی، یافته‌های خود را در یک وبینار با حضور بیش از ۲۰۰ نفر ارائه کردند و قصد دارند این پژوهش را در نشست «علم آینده با CMB x LSS» یا (Future Science with CMB x LSS) در ژاپن ارائه دهند.