همه‌ی ماده‌ی تاریک کیهان می‌تواند از سیاهچاله‌های اولیه تشکیل شده باشد

امیر نیک‌رو

۱۰ آذر ۱۴۰۳ | ۱۱:۳۲ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۴ دقیقه

جهان‌های نوزاد پس از انفجار بزرگ که ما به شکل سیاهچاله می‌بینیم

دانشمندان در پژوهشی تازه بیان می‌کنند که ماده‌ی تاریک موجود در جهان که همچنان یکی از رازهای کیهانی است، می‌تواند از سیاهچاله‌های اولیه هنگام تشکیل جهان شکل گرفته باشد.

مؤسسه‌ی فیزیک و ریاضیات کیهانی کاولی (Kavli IPMU) محل اجرای بسیاری از پروژه‌های میان‌رشته‌ای است که از همکاری طیف گسترده‌ای از متخصصان استفاده می‌کند. یکی از این پروژه‌ها مطالعه‌ی سیاهچاله‌هایی است که می‌توانسته در اوایل جهان و پیش از تولد ستارگان و کهکشان‌ها شکل گرفته باشد.

اثر سیاهچاله‌های اولیه

این سیاهچاله‌های اولیه (PBH) می‌توانند همه یا بخشی از ماده‌ی تاریک را شکل داده و علت برخی از سیگنال‌های مشاهده شده‌ی امواج گرانشی باشند. همچنین می‌توانند سیاهچاله‌های پرجرم و عظیم مرکز کهکشان‌ها را تغذیه کرده باشند و هنگام برخورد با ستاره‌های نوترونی و از بین بردن آن‌ها که باعث آزاد شدن ماده‌ی غنی از نوترون می‌شود، در ترکیب عناصر سنگین مؤثر باشند.

به طور خاص، یک احتمال جالب توجه تشکیل ماده‌ی تاریک از این سیاهچاله‌های اولیه است. جایزه‌ی نوبل فیزیک سال ۲۰۲۰ به یک نظریه‌پرداز، «راجر پنروز» (Roger Penrose) و دو ستاره‌شناس به نام‌های «راینهارد گنزل» (Reinhard Genzel) و «آندریا گز» (Andrea Ghez) برای کشف‌هایی داده شد که وجود سیاهچاله‌ها را تأیید می‌کردند. از آنجا که سیاهچاله‌ها در طبیعت شناخته شده‌اند، یک گزینه‌ی جذاب برای ماده‌ی تاریک به‌شمار می‌روند.

به‌تازگی یک گام تازه در نظریه‌ی بنیادین فیزیک، اخترفیزیک و مشاهدات نجومی برای جست‌وجوی سیاهچاله‌های اولیه توسط یک تیم بین‌المللی متشکل از فیزیکدانان ذرات بنیادی، کیهان‌شناسان و ستاره‌شناسان انجام شده است. ازجمله اعضای این تیم می‌توان به «الکساندر کوزنکو» (Alexander Kusenko)، «میسائو ساساکی» (Misao Sasaki)، «سونائو سوگیاما» (Sunao Sugiyama)، «ماساهیرو تاکادا» (Masahiro Takada) و «ولادیمیر تاخیستوف» (Volodymyr Takhistov) اشاره کرد.

جهان‌های نوزاد

این تیم تحقیقاتی برای درک بیشتر درباره‌ی سیاهچاله‌های اولیه، در جهان ابتدایی پس از مهبانگ (بیگ بنگ) به کشف سرنخ‌های لازم پرداختند. جهان اولیه آن‌چنان متراکم بوده که هر نوسان مثبت در چگالی، در بیش از نیمی از شرایط باعث ایجاد سیاهچاله می‌شده است. اگرچه آشفتگی‌های کیهانی که کهکشان‌ها را ایجاد کرده‌اند بسیار کوچکتر هستند اما شماری از فرآیندها در ابتدای جهان می‌تواند شرایط مناسبی را برای ایجاد سیاهچاله‌ها ایجاد کرده باشد.

چرا جهان‌های موازی باید وجود داشته باشند؟

یک احتمال هیجان‌انگیز آن است که سیاهچاله‌های اولیه می‌توانند از «جهان‌های نوزاد» ایجاد شده در طول «تورم کیهانی» شکل گرفته باشند، یک دوره‌ی انبساط سریع که دانشمندان عقیده دارند مسؤول ایجاد ساختارهای کیهانی امروزین مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی است. در طول تورم کیهانی، جهان‌های نوزاد می‌توانند از جهان ما منشعب شده باشند. اگرچه یک جهان نوزاد کوچک درنهایت فرو می‌ریزد اما انرژی زیاد آزاد شده در حجم کم باعث ایجاد سیاهچاله می‌شود.

HSC یک دوربین دیجیتال عظیم بر روی تلسکوپ سوبارو است.
Credit: HSC project / NAOJ

اما سرنوشتی عجیب‌تر در انتظار جهان‌های نوزاد بزرگتر است. اگر این جهان نوزاد از اندازه‌ای بحرانی بزرگ‌تر باشد، نظریه‌ی گرانش اینشتین اجازه می‌دهد تا این جهان در حالتی وجود داشته باشد که برای یک ناظر در داخل و خارج متفاوت باشد. یک ناظر داخلی آن را جهانی در حال انبساط می‌بیند، در حالی که ناظر خارجی مانند ما که از روی زمین رصد می‌کنیم، آن را سیاهچاله تعبیر می‌کند. در هر صورت، جهان‌های بزرگ و کوچک نوزاد توسط ما به‌عنوان سیاهچاله‌های اولیه دیده می‌شوند که ساختار اساسی چندین جهان را در پشت «افق رویداد» خود که در زیر آن همه چیز، حتی نور، به دام افتاده و نمی‌تواند از سیاهچاله فرار کند، پنهان می‌کنند.

جست‌وجوی سیاهچاله‌های اولیه

این تیم پژوهشی در مقاله‌ی خود، یک فرض ابتکاری برای تشکیل سیاهچاله‌های اولیه ارائه داد و نشان داد که سیاهچاله‌های «فرضیه‌ی چندجهانی» را می‌توان با استفاده از Hyper Suprime-Cam یا HSC تلسکوپ ۸٫۲ متری سوبارو (Subaru) در نزدیکی ‌قله‌ی ۴۲۰۰ متری «مونا کیا» (Mauna Kea) در هاوایی پیدا کرد. کار آن‌ها توسعه‌ی هیجان‌انگیز جستجوی HSC برای سیاهچاله‌های اولیه است که ماساهیرو تاکادا یکی از پژوهشگران اصلی این تیم به همراه دیگر پژوهشگران پیگیری می‌کنند. تیم HSC به‌تازگی شرط‌های اصلی وجود سیاهچاله‌های اولیه را در مقاله‌ای در نشریه‌ی Nature Astronomy ارائه کرده است.

گذر سیاهچاله‌ی اولیه از جلوی ستاره و اثر لنز گرانشی

اگر یک سیاهچاله‌ی اولیه از جلوی یک ستاره بگذرد و با اثر عدسی گرانشی نور آن را متمرکز کند، ستاره به طور موقت درخشان‌تر دیده می‌شود.
Credit: Kavli IPMU/HSC Collaboration

HSC توانایی منحصربه‌فردی در تصویربرداری از کل کهکشان آندرومدا در هر چند دقیقه دارد. بدین ترتیب اگر سیاهچاله از خط دید یکی از ستاره‌ها بگذرد، گرانش آن پرتوهای نور را خم می‌کند و باعث می‌شود که ستاره برای مدت کوتاهی درخشان‌تر از قبل دیده شود. مدت زمان درخشان‌تر شدن ستاره، جرم سیاهچاله را برای ستاره‌شناسان آشکار می‌کند. با مشاهدات HSC می‌توان هم‌زمان ۱۰۰ میلیون ستاره را رصد کرد و یک تور گسترده برای سیاهچاله‌های اولیه پهن کرد که ممکن است از یکی از خطوط دید عبور کنند.

اما پیش از این نخستین مشاهدات HSC یک رویداد بسیار جذاب را که مطابق با سیاهچاله‌های اولیه‌ی فرضیه‌ی چندجهانی و با جرمی قابل مقایسه با جرم ماه است، گزارش کرده است. این تیم با الهام گرفتن از این نشانه‌ی اولیه، و با درک نظری جدید، دور تازه‌ای از رصدها را برای گسترش جست‌وجو انجام می‌دهند تا به آزمایشی قطعی از اینکه آیا سیاهچاله‌های اولیه از فرضیه‌ی چندجهانی می‌توانند کل ماده‌ی تاریک را تشکیل دهند یا نه، دست یابند.