کشف حلقه‌ای از کهکشان‌ها که می‌تواند نظریه گرانش اینشتین را به چالش بکشد

دانشمندان به‌تازگی حلقه‌ی بسیار بزرگی از کهکشان‌ها را کشف کرده‌اند که 10 میلیون سال نوری عرض دارد و با سرعت سرسام‌آوری از کهکشان راه شیری دور می‌شود و مدل‌های فیزیکی کنونی ما نمی‌توانند آن را توضیح دهند. دانشمندان می‌گویند ساختار این حلقه با سرعت بالایی در حال گسترش است و سرعت آن همانند یک مه‌بانگ کوچک است! دانشمندان می‌گویند این حلقه از کهکشان‌ها تنها در صورتی می‌توانند شکل گرفته باشد که در گذشته‌ای دور، کهکشان راه شیری و اندرومدا آن‌قدر به یکدیگر نزدیک شده باشند که امکان برخورد آن‌ها وجود داشته باشد؛ اما برخوردی نداشته‌اند و تنها موادی از آن‌ها پراکنده شده و باعث شکل‌گیری این کهکشان‌ها شده است. تناقضی بزرگ! اصلاً چنین چیزی امکان ندارد، امکان دارد؟

مشکل این‌جا است که این دیدگاه با شرایطی که در نظریه‌ی گرانش آلبرت اینشتین پیش‌بینی شده، کاملاً در تناقض است. یکی از اعضای این گروه کاشف، به نام هُنگ‌شِنگ ژائو از دانشگاه سنت اندروز اسکاتلند در این خصوص می‌گوید:

اگر نظریه‌ی گرانش اینشتین درست باشد، کهکشان ما هیچ‌گاه آن‌قدر به اندرومدا نزدیک نبوده است که جاذبه‌‌ی آن‌ها باعث پراکنده شدن مواد شود و این کهکشان‌های جدید به‌وجود آیند.

ژائو به همراه چند تن از افراد گروه خود، روی چگونگی حرکت این حلقه از کهکشان‌ها در گروه محلی (گروهی تشکیل‌شده از دست‌ کم 54 کهکشان کوچک و بزرگ که دو کهکشان راه شیری و اندرومدا، بزرگ‌ترین آن‌ها هستند) تحقیق می‌کنند. کهکشان راه شیری در حال حاضر 2.5 میلیون سال نوری از کهکشان اندرومدا فاصله دارد؛ اما این کهکشان همسایه، با سرعت 402,336 کیلومتر بر ساعت به کهکشان راه شیری نزدیک می‌شود. طبق نظریه‌ی نسبیت اینشتین، ستاره‌شناسان پیش‌بینی کرده‌اند که 3 میلیارد و 750 میلیون سال آینده، دو کهکشان راه شیری و اندرومدا با یکدیگر برخورد می‌کنند و چند میلیارد سال پس از آن برخورد، این دو کهکشان با یکدیگر ترکیب می‌شوند و کهکشان جدیدی با نام میلکدرومدا یا میلکدومدا شکل می‌دهند؛ اما آیا این دو کهکشان در گذشته‌های دور، تا مرز برخورد با یکدیگر پیش رفته‌اند؟

در سال 2013، ژائو به همراه تعدادی از دانشجویان خود، اعلام کردند که احتمالاً چیزی در حدود 7 الی 11 میلیارد سال پیش، دو کهکشان راه شیری و اندرومدا بیش از اندازه به یکدیگر نزدیک بوده‌اند و گرانش وحشتناک آن‌ها، موج سونامی‌مانندی در فضا به‌وجود آورده و باعث شده است کهکشان‌های کوچک‌تر در موقعیت‌هایی قرار بگیرند که امروزه می‌بینیم. در این تصویر نیز می‌توان دو کهکشان مارپیچی NGC 5426 و NGC 5427 را مشاهده کرد که تا آستانه‌ی برخورد با یکدیگر پیش رفته‌اند.

این پژوهشگران پا را فراتر گذاشته‌اند و می‌گویند سرعت فعلی حلقه‌ی کهکشانی کشف‌شده، فاصله‌ی کم اندرومدا و راه شیری در گذشته‌ی دور را تأیید می‌کند؛ آن‌ها با سرعت بسیار زیادی از ما دور می‌شوند و مدل‌های فیزیکی کنونی ما توضیحی برای آن‌ها ندارند. این پژوهشگران، در قسمت جمع‌بندی مقاله‌ی خود چنین نوشته‌اند:

سرعت شعاعی برخی از کهکشان‌های موجود در گروه محلی، به طرز عجیبی بالا است و این سرعت باید توسط نیرویی عظیم به‌وجود آمده باشد که متأسفانه مدل‌های ما نمی‌توانند توضیحی قانع‌کننده برای آن ارائه دهند.

البته مسئله به این‌جا ختم نمی‌شود؛ این پژوهشگران می‌گویند برخی از کهکشان‌های گروه محلی، به همراه اندرومدا و راه شیری در یک صفحه از جهان قرار گرفته‌اند و این نمی‌تواند تصادفی باشد. یکی از این پژوهشگران به نام ایندرانی بانیک در این خصوص می‌گوید:

این توزیع حلقه‌مانند از کهکشان‌ها بسیار عجیب است. بگذارید یک مثال ساده بزنم تا بتوانید رفتار آن‌ها و همچنین چگونگی دور شدن آن‌ها از ما را درک کنید. فرض کنید یک چتر دارید که روی آن قطراتی از آب وجود دارد. شما دسته‌ی چتر را می‌چرخانید و بعد مشاهده می‌کنید که قطرات آب به همراه چرخش چتر به اطراف پرتاب می‌شوند. این درست همان اتفاقی است که برای این کهکشان‌های حلقه‌مانند رخ می‌دهد و ما نمی‌توانیم آن نیروی پرتاب‌کننده را توضیح دهیم.

از نظر ما، احتمال این‌که این کهکشان‌ها به‌صورت تصادفی به هنگام رصد در یک صفحه قرار گرفته باشند، 1 در 640 است. من منشأ این کهکشان‌ها را دنبال کردم و دریافتم که ریشه‌ی آن‌ها، به وقوع یک رویداد پر نیرو باز‌می‌گردد، یعنی زمانی که سن عالم، نصف میزان کنونی بود.

مشکل این دیدگاه در این‌جا است که هیچ نظریه‌ای، حتی نظریه‌ی نسبیت اینشتین، نمی‌تواند علت سرعت این کهکشان‌ها را توضیح دهد. مشکل دیگر این است که افراد گروه بیان می‌گویند وجود این کهکشان‌ها به دلیل این است که اندرومدا و راه شیری میلیاردها سال پیش تا مرز برخورد با یکدیگر پیش رفته‌اند و این با دانسته‌های ما در تناقض است؛ یعنی امکان ندارد چنین چیزی رخ داده باشد. دلیل مخالفت مدل‌های کنونی ما با رخ دادن این اتفاق، ماده‌ی تاریک است. ماده‌ی تاریک به‌عنوان یکی از بحث‌برانگیزترین بخش‌های نظریه‌ی نسبیت اینشتین، با برخورد احتمالی کهکشان‌های راه شیری و اندرومدا در گذشته مخالفت می‌کند.

نظریه‌ی نسبیت اینشتین یکی از نظریه‌هایی است که سعی دارد رفتار جهان را پیش‌بینی کند؛ اما نسبیت و سایر نظریه‌ها، تا زمانی که ماده‌ی تاریک را وارد ماجرا نکنیم، نمی‌توانند برخی از نیروهای گرانشی را توضیح دهند. گفته می‌شود حدود 80 درصد از جرم عالم را ماده‌ی تاریک تشکیل داده است؛ با این وجود ما هنوز نتوانسته‌ایم به‌صورت مستقیم این گونه‌ی خارق‌العاده از ماده را مشاهده کنیم و دلیل آن، عدم تلاش ما برای مشاهده نیست. اخیراً دولت ایالات متحده، 10 میلیون دلار بودجه در اختیار دانشمندان گذاشت تا بتوانند با انجام آزمایش‌هایی خاص، نشانه‌هایی از ماده‌ی تاریک بیابند؛ اما متأسفانه پس از یک جستجوی 20 ماهه، آن‌ها موفق به یافتن چیز خاصی نشدند.

بدون در نظر گرفتن تأثیرات ماده‌ی تاریک در جهان، ما نمی‌توانیم دلیل خم شدن نور به هنگام حرکت در فضا و همچنین دلیل چرخش عجیب برخی کهکشان‌ها را توضیح دهیم؛ شاید ما علاقه داریم که باور کنیم چنین ماده‌ای وجود دارد، شاید هم واقعاً وجود دارد.

با توجه به گفته‌های ژائو و همکارانش، ما برای توضیح سرعت بالای این حلقه‌ی کهکشانی، دو احتمال در پیش‌ رو داریم: نخست این‌ که نظریه‌ی نسبیت اینشتین کاملاً صحیح است و برای این اتفاق توضیح دیگری وجود دارد که باید آن را بیابیم؛ یا این‌ که به عنوان احتمال دوم، ما باید در مدل‌های گرانشی فعلی خود تجدیدنظر کنیم. ژائو و همکارانش در گزارشی که منتشر کرده‌اند، این چنین می‌گویند:

اگر ما می‌توانستیم بر فراز گذشته‌ی دو کهکشان راه شیری و M31 (کهکشان اندرومدا با این نام فهرست‌بندی شده است) پرواز کنیم، شاید می‌توانستیم جنبه‌های مختلفی برای توزیع این حلقه‌ی کهکشانی در نظر بگیریم. چنین رویدادی را تنها در چارچوب نظریه‌های گرانش اصلاح‌شده می‌توان توضیح داد. در این نظریه‌ها، گفته می‌شود کهکشان‌ها فاقد ماده‌ی تاریک هستند و اصطکاک دینامیکی آن‌ها به هنگام نزدیک شدن به یکدیگر باعث ترکیب می‌شود.

برخی فرضیات وجود دارند که می‌گویند درک فعلی ما از گرانش کاملاً اشتباه است. سال گذشته، اریک ورلینده به عنوان یکی از فیزیکدانان متخصص نظریه‌ی ریسمان از دانشگاه آمستردام، اعلام کرد که به‌احتمال زیاد گرانش نمی‌تواند یک نیروی بنیادی طبیعت باشد و ممکن است ناشی از یک پدیده‌ی دیگر باشد که ما هنوز کشف نکرده‌ایم؛ درست همانند دما که از حرکت ذرات ناشی می‌شود. اریک ورلینده بر این باور است که ما با فرض کردن یک ماده‌ی جدید و ناشناخته به نام ماده‌ی تاریک، تنها تناقض با گرانش را به‌وجود می‌آوریم. وی می‌گوید شاید مشکل این تناقض، ماده‌ی تاریک نباشد؛ شاید مشکل این است که ما درک درستی از چگونگی کارکرد گرانش نداریم.

در حال حاضر گفته‌های گروه ژائو و اریک ورلینده، در حد فرضیه هستند و ما هنوز راهی طولانی تا بازسازی پایه‌های علم فیزیک مدرن در پیش داریم؛ اما کسی نمی‌تواند منکر این شود که در دانسته‌های فعلی ما از جهان مشکلاتی وجود دارد. ما باید روی دانسته‌های خود بیشتر کار کنیم. ما پیش‌تر مشکلات این‌چنینی را تجربه کرده‌ایم؛ به عنوان مثال، دو نظریه‌ی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام اینشتین با یکدیگر اختلافاتی دارند که به وسیله‌ی نظریه همه چیز برطرف شده است. نظریه‌ی همه چیز در واقع همانند پلی عمل می‌کند که دو نظریه‌ی مکانیک کوانتومی و نسبیت عام را به یکدیگر متصل کرده است و سعی دارد اختلافات آن‌ها را برطرف کند. شاید لازم باشد ما در دانسته‌های فعلی خود تجدید نظر کنیم.

وقتی که در سال 2013، ژائو و گروهش بررسی امکان برخورد اندرومدا و راه شیری در گذشته را آغاز کردند، به یک رفتار گرانشی متفاوت دست یافتند که با نام MOND شناخته می‌شود و چگونگی حرکت کهکشان‌های نزدیک را بسیار بهتر از مدل استاندارد فیزیک توضیح می‌دهد.

به هر حال باید هنوز صبر کنیم و ببینیم که این تلاش‌ها به چه نتایجی می‌رسند؛ اما باید این را بدانید که ‌به‌زودی اتفاقات بزرگی در فیزیک نظری رخ می‌دهند؛ چه حق با اینشتین باشد، چه نباشد.

شما در مورد علت این پدیده چه نظری دارید؟ آیا دیدگاه ژائو می‌تواند درست باشد؟