حرکت شگفت‌انگیز منظومه شمسی؛ سرعتی فراتر از مدل‌های کیهانی

1

پژوهش‌های جدید نشان می‌دهد که منظومه شمسی با سرعتی بسیار بیشتر از آنچه مدل‌های استاندارد کیهان‌شناسی پیش‌بینی می‌کنند در حال حرکت است. بررسی تازه رادیوکهکشان‌ها توسط تیمی از دانشمندان آلمان نشان می‌دهد اثر حرکتی خورشید و سیارات روی آسمان بسیار قوی‌تر از مقدار پیش‌بینی‌شده است.

به جای تأیید آرام فرضیات رایج، این یافته راز قدیمی درباره میزان یکنواختی توزیع ماده در کیهان را عمیق‌تر می‌کند. اگر این نتیجه تأیید شود، به این معناست که یا مدل‌های کیهانی ما نقص دارند یا نقشه‌برداری‌های بزرگ آسمان چیزی مهم را نادیده گرفته‌اند.

حرکت منظومه شمسی

این پژوهش به رهبری لوکاس بوهمه از دانشگاه بیلفلد آلمان انجام شده است. تیم او از نقشه‌های رادیویی کهکشان‌های دوردست برای بررسی میزان انطباق مدل استاندارد کیهان با واقعیت استفاده می‌کند.

چارچوب مرجع رایج برای سنجش حرکت‌های کیهانی، تابش زمینه ریزموج کیهانی (CMB) است که نور کم‌فروغ بازمانده از جهان آغازین به شمار می‌رود. در این چارچوب، منظومه شمسی در یک جهت مشخص حرکت می‌کند و این حرکت باید اثر قابل پیش‌بینی روی تعداد کهکشان‌های مشاهده‌شده داشته باشد.

این تابش یکنواخت، از اصل معروف به اصل کیهان‌شناختی پشتیبانی می‌کند که می‌گوید جهان در همه جهات ظاهر مشابهی دارد. اگر این اصل برقرار باشد، نقشه‌برداری ژرف از کهکشان‌ها پس از اصلاح حرکت ما باید تعداد تقریباً یکسانی از منابع را در همه جهت‌ها نشان دهد.

نقش رادیوکهکشان‌ها در اندازه‌گیری حرکت

رادیوکهکشان‌ها به واسطه فوران‌های قدرتمندشان در طول‌موج رادیویی قابل‌شناسایی هستند. از آنجا که امواج رادیویی از غبارهایی که نور مرئی را مسدود می‌کنند عبور می‌کنند، این اجرام جمعیتی از کهکشان‌ها را آشکار می‌کنند که در تصاویر نوری پنهان می‌مانند.

هنگامی که منظومه شمسی حرکت می‌کند، الگویی موسوم به دوگانگی یا دیپل پدید می‌آورد؛ به این صورت که یک سمت آسمان تعداد بیشتری منبع نشان می‌دهد.

در جهت حرکت ما تعداد بیشتری رادیوکهکشان دیده می‌شود و در جهت مخالف تعداد کمتری ظاهر می‌شود. این یک عدم‌تعادل آماری بسیار کوچک اما قابل اندازه‌گیری است.

استفاده از نقشه‌برداری‌های عظیم رادیویی

برای اندازه‌گیری این عدم‌تقارن، پژوهشگران چندین نقشه‌برداری بزرگ رادیویی را ترکیب کردند. نسخه دوم نقشه LoTSS DR2 از تلسکوپ LOFAR بیش از چهار میلیون منبع رادیویی را در یک‌چهارم نیمکره شمالی ثبت کرده است.

آن‌ها همچنین داده‌های نقشه‌های فرکانس بالاتر از تلسکوپ ASKAP در استرالیا و مجموعه آنتن‌های VLA در نیومکزیکو را به این تحلیل افزودند. ترکیب این نقشه‌ها پوشش تقریباً کامل آسمان را فراهم کرد. این امر حیاتی است زیرا حساسیت نامتوازن نقشه‌ها می‌تواند یک دیپل جعلی ایجاد کند.

چالش‌های شمارش دقیق کهکشان‌ها

پژوهش‌های قدیمی‌تر فرض می‌کردند هر منبع رادیویی فقط یک نقطه مستقل است، اما تصاویر دقیق نشان می‌دهد بسیاری از رادیوکهکشان‌ها از چندین گره و لوب تشکیل شده‌اند. این پدیده باعث افزایش شمارش اشتباه در نواحی شلوغ می‌شود.

این رفتار به بیش‌پراکندگی می‌انجامد؛ یعنی پراکندگی بیشتر از آنچه آمار ساده پیش‌بینی می‌کند. اگر این موضوع نادیده گرفته شود، عدم‌قطعیت dipole کمتر از مقدار واقعی برآورد خواهد شد.

بوهمه و همکارانش مدل خود را بر اساس توزیع دو جمله‌ای منفی بنا کردند که برای داده‌های شمارشی بیش‌پراکن مناسب است. آن‌ها همچنین از یک برآوردگر بیزی استفاده کردند که با ترکیب داده‌ها و فرضیات قبلی، قدرت و جهت دیپل را با در نظر گرفتن تغییرات حساسیت هر نقشه‌برداری تخمین می‌زند.

سرعت واقعی منظومه شمسی

با استفاده از این روش جدید، پژوهشگران یک دیپل کهکشانی به‌دست آوردند که حدود ۳.۷ برابر قوی‌تر از مقدار پیش‌بینی‌شده است.

این عدم‌تطابق در سطح ۵.۴ سیگما قرار گرفته است، یعنی به‌قدری قوی است که احتمال تصادفی بودن آن بسیار کم است. جهت این دیپل نیز فقط پنج درجه با جهت دیپل تابش زمینه کیهانی فاصله دارد.

بر اساس اندازه‌گیری‌های فضاپیمای پلانک، منظومه شمسی با سرعت حدود ۸۲۷ هزار مایل بر ساعت نسبت به تابش زمینه کیهانی حرکت می‌کند. این سرعت معیار اصلی است که نقشه‌های کهکشانی باید با آن مطابقت داشته باشند.

اندازه‌گیری حرکت در کیهان

یک پژوهش در سال ۲۰۲۳ با استفاده از روش‌های جدید روی دو نقشه رادیویی NVSS و RACS یک دیپل تقریباً سه برابر قوی‌تر از مقدار استاندارد گزارش کرد. این نتیجه نیز در سطح ۴.۸ سیگما اهمیت داشت و در همان جهت دیپل CMB قرار داشت.

تحلیل دیگری که داده‌های پلانک را با نقشه‌های مادون‌قرمز و رادیویی ترکیب کرد نیز نشان داد که دیپل ماده با دیپل CMB اختلاف چشمگیری دارد.

در کنار نتیجه جدید، این الگو بیان می‌کند که روش‌های مختلف اندازه‌گیری حرکت ما در کیهان با یکدیگر سازگار نیستند.

نتایج فراتر از انتظار

یک احتمال این است که دیپل اضافی از ساختارهای نزدیک، مانند تجمع کهکشان‌های رادیویی در همسایگی کیهانی ما، نشأت گرفته باشد. در این صورت ناحیه محلی ما در چارچوب مدل استاندارد ΛCDM منطقه‌ای غیرعادی خواهد بود.

گزینه دیگر خطای نقشه‌برداری است. نقشه‌های رادیویی میدان‌گسترده به‌سختی کالیبره می‌شوند و خطاهای کوچک در شدت، شکل پرتو یا پوشش آسمان می‌تواند دیپل جعلی تولید کند.

بوهمه می‌گوید: «این نتیجه به‌وضوح با انتظارات کیهان‌شناسی استاندارد در تضاد است و ما را وادار می‌کند فرضیات خود را دوباره ارزیابی کنیم.»

آینده پژوهش‌ها

انتشارهای آینده LOFAR و ASKAP تعداد بسیار بیشتری منبع رادیویی دقیق را ارائه خواهند کرد. پروژه‌ای مانند آرایه کیلومتر مربعی (SKA) نیز امکان بررسی دقیق‌تر وجود یا عدم‌وجود این دیپل اضافی را فراهم خواهد کرد.

اگر این عدم‌تطابق حتی پس از کنترل کامل خطاهای نقشه‌برداری باقی بماند، کیهان‌شناسان با انتخاب‌های دشوار اما هیجان‌انگیزی روبه‌رو خواهند شد؛ یا فرض یکنواختی بزرگ‌مقیاس جهان اشتباه است یا عامل ناشناخته‌ای در نحوه پخش ماده در کیهان نقش دارد.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.