یک گروه بین‌المللی از فیزیک‌دانان و ستاره‌شناسان، برای اولین بار حرکت قابل‌توجه خوشه‌های که‌کشانی را آشکار کرده‌اند؛ آن‌هم با استفاده‌ از اثری که چهل سال پیش از این پیش‌نهاد شده‌است. این اولین بار است که حرکت اجسام واقع در فواصل کیهانی مستقیما ً اندازه‌گیری می‌شود؛ این دست مشاهده‌ها می‌توانند به ما، در درک بهتر شکل‌گیری و تکامل جهان، و به ستاره‌شناسان، در مطالعه‌ی ماده‌ و انرژی تاریک کمک کنند.

در سال ۱۹۷۲ رشید سونیائف و یاکوف زلدوویچ، دو فیزیک‌دان روسی بیان کردند که وقتی یک خوشه‌ی که‌کشانی در تابش‌های ِ کوتاه‌موج ِ پس‌زمینه‌ی ِ کیهانی (CMB) -که از تابش‌های گرمایی مه‌بانگ باقی‌ مانده‌اند- حرکت می‌کند به‌صورت نظری، باید تغییرات اندک دمایی در آن‌ها ایجاد کند. اثر سونیائف-زلدوویچ (SZ) به این علت ایجاد می‌شود که الکترون‌های پرانرژی، CMB را در فرآیند کامپتون معکوس تغییر می‌دهند. می‌توان این اثر را به سه دسته تقسیم کرد: «گرمایی، سینماتیک و قطبیده» . در پروژه‌ی اخیر که حرکت در مقیاس کیهانی آشکار شد، اثر دوم -اثر سونیائف-زلدوویچ سینماتیکی(kSZ) - مورد استفاده بود. در برهم‌کنش الکترون‌های پرانرژی و CMB در خوشه‌های که‌کشانی، ‌kSZ  یک اثر مرتبه دوم و به علت اندازه حرکت الکترون می‌باشد. تابشی که از میان خوشه‌های که‌کشانی ِ در حال ِ حرکت به سمت زمین رد می‌شود، به اندازه‌ی یک میلیونیوم درجه گرم‌تر؛ و تابشی که از میان خوشه‌های دورشونده از زمین رد می‌شود، اندکی سردتر دیده می‌شوند. هرچند چهل سال از پیش‌نهاد kSZ می‌گذرد، این اولین بار است که آن را مشاهده می‌کنیم.

گردهم‌ آمدن

برای حل مشکلات آشکارسازی ِ چنین تغییر دمایی اندکی، نیک هَند از دانش‌گاه کالیفرنیا، برکلی در ایالات متحده، با هم‌کاری پنجاه‌وهشت تن از تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما (ACT)  در شیلی و پروژه‌ی بررسی و طیف‌سنجی نوسان باریونی(BOSS)  در نیومکزیکو، سیگنال‌هایی از خوشه‌های مختلف گردآوری کردند تا تغییرات دمایی را آشکار کنند. داده‌های BOSS از ۲۷٫۲۹۱ که‌کشان تابان به‌دست آمده‌، و نقشه‌های همان ناحیه‌ی آسمان توسط ACT بین سال‌های ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۰ مشاهده شده بودند. این دو بر یک‌دیگر قرار داده شدند. از آن‌جا که هر که‌کشان احتمالا ً در یک خوشه‌ی که‌کشانی قرار دارد، می‌توان موقعیت آن‌ها را برای تعیین مکان خوشه‌هایی به‌کار برد که ممکن است تابش‌های کیهانی را تغییر دهند.

در که‌کشانی بسیار بسیار دور

این گروه حرکت خوشه‌های که‌کشانی به فاصله‌ی چند میلیارد سال‌نوری را که با سرعت‌هایی در حدود km/s ۶۰۰ در حرکت‌اند، آشکار کرده‌است. آشکارسازی سرعت این اجسام دور بسیار دشوار است؛ چراکه اندازه‌گیری‌ دقیق فاصله‌ها لازم است.

هند توضیح می‌دهد «یکی از فایده‌های اثر kSZ این است که اندازه‌ی آن مستقل از فاصله‌ی خوشه‌ی که‌کشانی، از ماست؛ بنابراین می‌توانیم سرعت حرکت یک جسم در جهت یا در خلاف جهت زمین را، در فاصله‌هایی بسیار بیش‌تر از آنچه ممکن بود، اندازه بگیریم.» او هم‌چنین می‌گوید که این روش می‌تواند مستقل از روش‌های مرسوم اندازه‌گیری، به عنوان یک روش بازبینی دوباره، برای اندازه‌گیری‌های بزرگ‌مقیاس ِ آینده به‌کار رود.

از میان داده‌های BOSS برای ۲۷٫۲۹۱ که‌کشان، گروه داده‌های مربوط به ۷۵۰۰ که‌کشان تابان‌تر را استفاده کرد تا سیگنال kSZ را آشکار سازد. گروه دریافت که وقتی دو خوشه به سمت یک‌دیگر می‌روند، به علت جاذبه‌ی گرانشی دوجانبه‌شان اثر kSZ واضح‌تر می‌شود -شبیه به اثر دوپلر؛ یک نقطه‌ی کمی سردتر در داده‌های CMB یعنی خوشه در حال دور شدن از ما بوده است؛ و یک نقطه‌ی کمی گرم‌تر یعنی به ما نزدیک می‌شده است. با میان‌گین‌گیری از دادهای BOSS  برای هزاران شئ، یک سیگنال واضح kSZ دیده شده است. دیوید اسپرگل از هم‌کاران ACT و فیزیک‌دان در دانش‌گاه پرینستون در ایالات متحده‌ی امریکا می‌گوید: «سیگنال kSZ بسیار کوچک است، چراکه احتمال آن‌که یک کوتاه‌موج، در هنگام عبورش از خوشه‌های که‌کشانی با یک الکترون برخورد کند، بسیار اندک و تغییر انرژی کوتاه‌موج ناچیز است.»...«با داشتن هزاران که‌کشان انحراف بسیار کم بود و سیگنالی قوی داشتیم.»

هم‌کاری با دو گروه و نتیجه‌های بهتر

این محققان دریافتند که اگر تنها داده‌های پروژه‌ی ACT یا BOSS تحلیل شوند، ممکن است سیگنال ظاهر نشود؛ چراکه هیچ‌کدام درواقع برای جست‌وجوی آن ساخته نشده‌اند. هردوی پروژه‌های ACT  و  در چیزی که رصد می‌کنند، روش جمع‌آوری اطلاعات و حتی طول‌موجی که با آن کار می‌کنند، کاملا ً متفاوت‌اند - ACTبا کوتاه‌موج  BOSS با امواج نورمرئی. این کار نشان داد که گردهم‌آمدن، با گروه‌های بسیاری که حتی ممکن است مأموریت‌های متفاوتی را دنبال کنند، بسیار با ارزش است؛ چراکه می‌تواند به کشف اثرهای ظریف فیزیکی بیانجامد که در پروژه‌های کوچک‌تر شناسایی نخواهندشد.

آن‌طور که هند می‌گوید «سیگنال [kSZ] در توافق کامل با مطالعات کیهان‌شناسی CMB چند دهه‌ی اخیر ماست... آن‌قدر کامل که انتظارش را هم نداشتیم!...در واقع هیجان‌انگیز بود چیزی را تأیید کنیم که چهل سال پیش‌تر پیش‌بینی شده‌بود؛ آن‌هم در شرایطی که نه CMB و نه ACT برنامه ای برای آن نداشتند.»

قدرت سیگنال  به پراکندگی الکترون‌ها درون و اطراف که‌کشان بستگی دارد؛ درنتیجه سیگنال‌ها می‌توانند برای ردیابی اتم‌ها در فضا به‌کار روند تا معلوم شود که که‌کشان‌ها چگونه شکل گرفته‌اند. هند امیدوار است در آینده‌ی نزدیک حساسیت  ACTرا افزایش دهد تا داده‌های بیشتری به‌دست آیند؛ و این خود به معنی اندازه‌گیری بهتر kSZ و به‌دنبال آن تعیین دقیق‌تر سرعت است.

منبع:

 http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/jul/13/galaxy-cluster-motion-seen-for-the-first-time

مرجع:

arXiv