تغییر شگفت‌انگیز در نظریه شکل‌گیری کهکشان‌ها

چالش‌های جدید در درک شکل‌گیری کهکشان‌ها

مدل استانداردی که برای شکل‌گیری کهکشان‌ها در اوایل جهان پیش‌بینی شده بود، انتظار داشت که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) سیگنال‌های ضعیفی از کهکشان‌های کوچک و اولیه مشاهده کند. اما داده‌ها فرضیه‌ی محبوبی را که می‌گوید ماده تاریک نامرئی به تجمع ستاره‌ها و کهکشان‌های اولیه کمک کرده است، تأیید نمی‌کنند. بر اساس تحقیقات جدیدی که از دانشگاه کیس وسترن ریزرو منتشر شده است، کهکشان‌های قدیمی‌تر بزرگ و درخشان هستند که با نظریه‌ی جایگزین گرانش همخوانی دارد. این نتایج، درک ستاره‌شناسان از جهان اولیه را به چالش می‌کشد.

استیسی مک‌گاف، اخترفیزیک‌دان دانشگاه کیس وسترن ریزرو، که مقاله‌اش به بررسی شکل‌گیری ساختار در جهان اولیه می‌پردازد، گفت: «آنچه نظریه ماده تاریک پیش‌بینی کرده، با آنچه ما مشاهده می‌کنیم مطابقت ندارد.» مک‌گاف، استاد و مدیر بخش اخترشناسی در این دانشگاه، افزود که به جای ماده تاریک، ممکن است گرانش اصلاح‌شده نقشی ایفا کرده باشد. او توضیح داد که نظریه‌ای به نام MOND (دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده) در سال 1998 پیش‌بینی کرده بود که شکل‌گیری ساختار در جهان اولیه بسیار سریع‌تر از آنچه نظریه ماده تاریک سرد، معروف به لامبدا-CDM، پیش‌بینی کرده، رخ داده است.

تلسکوپ JWST برای پاسخ به برخی از بزرگ‌ترین سوالات در مورد جهان طراحی شده بود، از جمله اینکه ستاره‌ها و کهکشان‌ها چگونه و چه زمانی شکل گرفتند؟ تا زمان پرتاب آن در سال 2021، هیچ تلسکوپی قادر به مشاهده این عمق از جهان و بازگشت به زمان‌های دور نبود. نظریه لامبدا-CDM پیش‌بینی می‌کند که کهکشان‌ها از طریق تجمع تدریجی ماده از ساختارهای کوچک به بزرگ‌تر، به دلیل گرانش اضافی ناشی از جرم ماده تاریک، شکل گرفته‌اند.

تئوری ماده تاریک و چالش‌های آن

مک‌گاف گفت: “نجوم‌دانان ماده تاریک را اختراع کردند تا توضیح دهند چگونه می‌توان از یک جهان اولیه بسیار صاف به کهکشان‌های بزرگ با فضای خالی زیاد بین آن‌ها که امروزه مشاهده می‌کنیم، رسید.” او توضیح داد که قطعات کوچک به تدریج در ساختارهای بزرگتر جمع شده و کهکشان‌ها شکل می‌گیرند. تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) باید قادر باشد این پیش‌کهکشان‌های کوچک را به عنوان نوری کم‌نور مشاهده کند.

او افزود: “انتظار می‌رفت که هر کهکشان بزرگی که در جهان نزدیک می‌بینیم، از این قطعات ریز شروع شده باشد.” اما حتی در مقادیر بالاتر از جابجایی قرمز (redshift) – که به معنای نگاه کردن به مراحل اولیه تکامل جهان است – سیگنال‌ها بزرگتر و روشن‌تر از آنچه پیش‌بینی شده بود، ظاهر می‌شوند. تئوری MOND پیش‌بینی کرده بود که جرمی که به یک کهکشان تبدیل می‌شود، به سرعت جمع می‌شود و در ابتدا به سمت بیرون با بقیه جهان گسترش می‌یابد. نیروی قوی‌تر گرانش، این گسترش را کند کرده و سپس معکوس می‌کند و مواد به خودشان فرو می‌ریزند تا یک کهکشان شکل بگیرد. در این تئوری، هیچ ماده تاریکی وجود ندارد.

مک‌گاف گفت: “ساختارهای بزرگ و درخشانی که JWST در مراحل اولیه جهان مشاهده کرده، بیش از یک ربع قرن پیش توسط MOND پیش‌بینی شده بود.” او این مقاله را با فدریکو للی، پژوهشگر سابق پسادکتری در دانشگاه کیس وسترن رزرو که اکنون در رصدخانه نجومی آرکِتری در ایتالیا فعالیت می‌کند، و همچنین با جی فرانک، دانشجوی دکترای سابق، به نگارش درآورده است. نویسنده چهارم این مقاله، جیمز شومبرت از دانشگاه اورگن است.

مک‌گاف ادامه داد: “نتیجه‌گیری این است که ‘من به شما گفته بودم’.” او افزود: “من بزرگ شدم که فکر کنم گفتن این جمله بی‌ادبی است، اما این تمام هدف روش علمی است: پیش‌بینی کنید و سپس بررسی کنید که کدام یک به حقیقت می‌پیوندد.” او همچنین اشاره کرد که یافتن نظریه‌ای که با هر دو تئوری MOND و نسبیت عمومی سازگار باشد، همچنان یک چالش بزرگ است.