سیاه چاله‌های اولیه و جستجوی ماده تاریک از چند جهان

فرادید | موسسه کاولی میزبان پروژه‌های میان رشته‌ای بسیاری است و از توانایی‌های متنوع افراد حاضر در موسسه بهره فراوانی می‌برد. اما یکی از پروژه‌های جذاب این موسسه مربوط به مطالعه سیاه چاله‌هایی است که در ابتدای کیهان و قبل از تشکیل ستاره‌ها و کهکشان‌ها به وجود آمده اند. این «سیاهچاله‌های اولیه» با PBH‌ها (مخفف Primordial Black Holes) می‌توانند بذر‌های اولیه سیاهچاله‌های ابرپرجرم موجود در هسته کهکشان‌ها و یا منبع بخشی از امواج گرانشی رصد شده باشند. همچنین می توان وجود بعضی عناصر سنگین را به وسیله PBH‌ها توضیح داد، اما جذاب‌تر از همه این که شاید ماده تاریک که بخش اعظمی از محتوی مادی کیهان را تشکیل می‌دهد از PBH‌ها تشکیل شده باشد.

به گزارش فرادید؛ اخیرا در نظریات بنیادی، اخترفیزیک و رصد‌های PBH پیشرفت‌های مهمی اتفاق افتاده و گروهی از فیزیکدانان ذرات، کیهان شناسان و منجمان آن را پیش می‌برند که بعضی از آن‌ها عضو موسسه کاولی هستند. داستان از این قرار است که کیهان اولیه محیطی بسیار چگال است به طوری که اگر ناحیه‌ای بیش از پنجاه درصد چگالی میانگین کیهان را داشته باشد به سیاه چاله تبدیل می‌شود، اما افت و خیز‌های معمول چگالی بسیار کوچکتر از این هستند.

با این وجود در جهان اولیه ساز و کار‌هایی هست که می‌تواند شرایط مناسب تشکیل سیاه چاله‌ها را فراهم کند. یکی از نمونه‌های هیجان انگیز «بچه جهان»‌هایی (Baby Universe) است که در دوران تورم به وجود می‌آیند. تورم، دورانی از انبساط بسیار سریع کیهان است که بذر‌های اولیه تشکیل کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی در این دوران تولید می‌شوند.

یک بچه جهان کوچک در طی تورم می‌تواند قسمتی از جهان را جدا کند سپس رمبش کرده و با آزاد کردن مقدار بسیار زیادی انرژی درون یک ناحیه کوچک باعث تشکیل سیاه چاله شود. بچه جهان‌های بزرگتر حتی سرنوشت عجیب تری هم دارند. اگر این بچه جهان‌ها بزرگتر از یک مقدار حدی باشند نسبیت عام اینشتین اجازه می‌دهد که این جهان‌ها از بیرون و درون کاملا متفاوت به نظر برسند. یک ناظر درون این جهان، آن را به صورت جهانی در حال انبساط خواهد دید، اما ناظری که در بیرون این جهان قرار دارد (مثل ما آن را به صورت یک سیاهچاله مشاهده می‌کند. هر دو بچه جهان بزرگ و کوچک از دید ما در بیرون به صورت سیاهچاله اولیه دیده می‌شوند و ساختار درونی یا چند جهانی آن‌ها پشت افق رویدادشان پنهان خواهد ماند. افق رویداد مرزی است که همه چیز حتی نور درون آن نمی‌تواند از آن خارج شود.

در مقاله جدید این تیم، علاوه بر مطرح کردن سناریوی جدید برای تشکیل PBH‌ها، نشان میدهند که چنین سیاه چاله‌هایی می‌توانند توسط دوربین بسیار بزرگ HSC در تلسکوپ هشت و دو دهم متری سوبارو ثبت شوند. احتمالا این مقاله برای تیم HSC که به دنبال سیاه چاله‌های اولیه هستند هیجان انگیز است.

این تیم سال گذشته بنا بر رصدهایشان گزارشی از رصد‌های جدید را منتشر کرد که PHB را مقید به انواع خاصی می‌کنند. استفاده از HSC در این تحقیق ضروری است. در واقع HSC هر چند دقیقه یک بار از کهکشان آندرومدا عکسی تهیه می‌کند و اگر یک سیاه چاله از بین ما و یک ستاره در کهکشان عبور کند، گرانش آن باعث خمیدگی نور ستاره شده و برای مدت کوتاهی آن را تقویت می‌کند.

مدت زمان روشن شدن ستاره تابعی از جرم سیاهچاله است. برتری HSC اینجاست که در واقع با تصویربرداری از کهکشان آندرومدا، از صد‌ها میلیون ستاره به طور همزمان تصویربرداری می‌کند تا شانس عبور یک سیاهچاله از مقابل یک ستاره را افزایش دهد.

رصد‌های اولیه HSC همین حالا هم یک رویداد را گزارش کرده که میتواند نامزدی برای عبور یک سیاهچاله با جرم ماه از مقابل یک ستاره باشد. این نشانه اولیه و شواهد نظری باعث شده تا تیم HSC دور جدیدی از رصد‌ها را برای پاسخ به سوال اصلی شروع کند: آیا سیاهچاله‌های اولیه می‌توانند ماده تاریک باشند؟

ماده تاریک (Dark Matter)، نوعی از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان‌شناسی ارائه شده‌است تا پدیده‌هائی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده‌شده در جهان بیشترست. مادهٔ تاریک به طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست، مشخصاً مادهٔ تاریک نور یا سایر امواج الکترومغناطیسی را به میزان قابل توجهی جذب یا منتشر نمی‌کند.

به بیان دیگر مادهٔ تاریک به سادگی ماده‌ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی‌دهد. در عوض، وجود و ویژگی‌های مادهٔ تاریک را می‌توان به طور غیرمستقیم و از طریق تأثیرات گرانش بر روی مادهٔ مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت. طبق داده‌های تیم مأموریت پلانک در سال ۲۰۱۳ و بر پایهٔ مدل استاندارد کیهان‌شناسی، کل جرم-انرژی موجود در جهان شناخته‌شده شامل ۴٫۹٪ مادهٔ معمولی، ۲۶٫۸٪ مادهٔ تاریک و ۶۸٫۳٪ انرژی تاریک تشکیل شده‌است. یعنی مادهٔ تاریک ۲۶٫۸٪ کل مادهٔ موجود در جهان را تشکیل می‌دهد و انرژی تاریک و مادهٔ تاریک روی هم رفته ۹۵٫۱٪ از کل محتویات جهان را تشکیل می‌دهند.

ماده تاریک چیزی است که بخش اعظم و تقریبا کل جهان را تشکیل داده است، اما فعلا مطلقا نمی‌دانیم که چیست. در واقع، قلمرو تاریکی از ماده سیاه می‌تواند همین الان درست جلوی بینی ما وجود داشته باشد. ماده تاریک اختراع شده است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده شده در جهان بیشتر است.

نظریه ماده تاریک برای توضیح بسیاری از مشاهدات گیج‌کننده نجومی مطرح شده است. برای مثال، بر اساس یکی از این مشاهدات ستاره‌ها در فضای بیرونی کهکشان‌های مارپیچی مثل کهکشان ما، به سرعت در حال چرخش‌اند. همانند بچه‌ای که سوار بر چرخ‌وفلکی پر سرعت است، این ستارگان باید به فضای بین ستاره‌ای پرت شوند؛ اما چنین اتفاقی رخ نمی‌دهد. اخترشناسان استدلال می‌کنند که برای این مساله، باید از اثرات گرانشی ماده بسیار عظیمی که هیچ نور قابل تشخیصی از خود ساطع نمی‌کند، متشکر باشیم.

منبع: sciencedaily