همه ماده تاریک کیهان می تواند از سیاهچاله های اولیه تشکیل شده باشد - گردشیا

مؤسسه فیزیک و ریاضیات کیهانی کاولی (Kavli IPMU) محل اجرای بسیاری از پروژه های میان رشته ای است که از همکاری طیف گسترده ای از متخصصان استفاده می کند. یکی از این پروژه ها مطالعه سیاهچاله هایی است که می توانسته در اوایل جهان و پیش از تولد ستارگان و کهکشان ها شکل گرفته باشد.

اثر سیاهچاله های اولیه

این سیاهچاله های اولیه (PBH) می توانند همه یا بخشی از ماده تاریک را شکل داده و علت برخی از سیگنال های مشاهده شده امواج گرانشی باشند. همچنین می توانند سیاهچاله های پرجرم و بزرگ مرکز کهکشان ها را تغذیه کرده باشند و هنگام برخورد با ستاره های نوترونی و از بین بردن آن ها که باعث آزاد شدن ماده غنی از نوترون می شود، در ترکیب عناصر سنگین مؤثر باشند.

به طور خاص، یک احتمال جالب توجه تشکیل ماده تاریک از این سیاهچاله های اولیه است. جایزه نوبل فیزیک سال 2020 به یک نظریه پرداز، راجر پنروز (Roger Penrose) و دو ستاره شناس به نام های راینهارد گنزل (Reinhard Genzel) و آندریا گز (Andrea Ghez) برای کشف هایی داده شد که وجود سیاهچاله ها را تأیید می کردند. از آنجا که سیاهچاله ها در طبیعت شناخته شده اند، یک گزینه جذاب برای ماده تاریک به شمار می فرایند.

به تازگی یک گام تازه در نظریه بنیادین فیزیک، اخترفیزیک و مشاهدات نجومی برای جست وجوی سیاهچاله های اولیه توسط یک تیم بین المللی متشکل از فیزیکدانان ذرات بنیادی، کیهان شناسان و ستاره شناسان انجام شده است. ازجمله اعضای این تیم می توان به الکساندر کوزنکو (Alexander Kusenko)، میسائو ساساکی (Misao Sasaki)، سونائو سوگیاما (Sunao Sugiyama)، ماساهیرو تاکادا (Masahiro Takada) و ولادیمیر تاخیستوف (Volodymyr Takhistov) اشاره کرد.

جهان های نوزاد

این تیم تحقیقاتی برای درک بیشتر درباره سیاهچاله های اولیه، در جهان ابتدایی پس از مهبانگ (بیگ بنگ) به کشف سرنخ های لازم پرداختند. جهان اولیه آن چنان متراکم بوده که هر نوسان مثبت در چگالی، در بیش از نیمی از شرایط باعث ایجاد سیاهچاله می شده است. اگرچه آشفتگی های کیهانی که کهکشان ها را ایجاد کرده اند بسیار کوچکتر هستند اما شماری از فرآیندها در ابتدای جهان می تواند شرایط مناسبی را برای ایجاد سیاهچاله ها ایجاد کرده باشد.

• چرا جهان های موازی باید وجود داشته باشند؟

یک احتمال هیجان انگیز آن است که سیاهچاله های اولیه می توانند از جهان های نوزاد ایجاد شده در طول تورم کیهانی شکل گرفته باشند، یک دوره انبساط سریع که دانشمندان عقیده دارند مسؤول ایجاد ساختارهای کیهانی امروزین مانند کهکشان ها و خوشه های کهکشانی است. در طول تورم کیهانی، جهان های نوزاد می توانند از جهان ما منشعب شده باشند. اگرچه یک جهان نوزاد کوچک درنهایت فرو می ریزد اما انرژی زیاد آزاد شده در حجم کم باعث ایجاد سیاهچاله می شود.

اما سرنوشتی عجیب تر در انتظار جهان های نوزاد بزرگتر است. اگر این جهان نوزاد از اندازه ای بحرانی بزرگ تر باشد، نظریه گرانش اینشتین اجازه می دهد 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 می بیند، در حالی که ناظر خارجی مانند ما که از روی زمین رصد می کنیم، آن را سیاهچاله تعبیر می کند. در هر صورت، جهان های بزرگ و کوچک نوزاد توسط ما به عنوان سیاهچاله های اولیه دیده می شوند که ساختار اساسی چندین جهان را در پشت افق رویداد خود که در زیر آن همه چیز، حتی نور، به دام افتاده و نمی تواند از سیاهچاله فرار کند، پنهان می کنند.

جست وجوی سیاهچاله های اولیه

این تیم پژوهشی در مقاله خود، یک فرض ابتکاری برای تشکیل سیاهچاله های اولیه ارائه داد و نشان داد که سیاهچاله های فرضیه چندجهانی را می توان با استفاده از Hyper Suprime-Cam یا HSC تلسکوپ 8.2 متری سوبارو (Subaru) در نزدیکی قله 4200 متری مونا کیا (Mauna Kea) در هاوایی پیدا کرد. کار آن ها توسعه هیجان انگیز جستجوی HSC برای سیاهچاله های اولیه است که ماساهیرو تاکادا یکی از پژوهشگران اصلی این تیم به همراه دیگر پژوهشگران پیگیری می کنند. تیم HSC به تازگی شرط های اصلی وجود سیاهچاله های اولیه را در مقاله ای در نشریه Nature Astronomy ارائه کرده است.

HSC توانایی منحصربه فردی در تصویربرداری از کل کهکشان آندرومدا در هر چند دقیقه دارد. بدین ترتیب اگر سیاهچاله از خط دید یکی از ستاره ها بگذرد، گرانش آن پرتوهای نور را خم می کند و باعث می شود که ستاره برای مدت کوتاهی درخشان تر از قبل دیده شود. مدت زمان درخشان تر شدن ستاره، جرم سیاهچاله را برای ستاره شناسان آشکار می کند. با مشاهدات HSC می توان هم زمان 100 میلیون ستاره را رصد کرد و یک تور گسترده برای سیاهچاله های 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 سیاهچاله های اولیه فرضیه چندجهانی و با جرمی قابل مقایسه با جرم ماه است، گزارش کرده است. این تیم با الهام دریافت از این نشانه اولیه، و با درک نظری جدید، دور تازه ای از رصدها را برای گسترش جست وجو انجام می دهند تا به آزمایشی قطعی از اینکه آیا سیاهچاله های اولیه از فرضیه چندجهانی می توانند کل ماده تاریک را تشکیل دهند یا نه، دست یابند.

• رمز و راز جرم گم شده عالم؛ ماده تاریک چیست؟

عکس کاور: جهان های نوزاد پس از انفجار بزرگ که ما به شکل سیاهچاله می بینیم.

Credit: Kavli IPMU

منبع: ScieTechDaily