تکان‌های مریخ؛ نشانه‌ای از ماده تاریک؟ حتماً بخوانید!

پیشنهاد فیزیکدانان MIT درباره سیاه‌چاله‌های اولیه و ماده تاریک

در یک مطالعه جدید، فیزیکدانان MIT پیشنهاد می‌کنند که اگر بیشتر ماده تاریک در جهان از سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی اولیه تشکیل شده باشد – ایده‌ای که برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ مطرح شد – این «کوتوله‌های گرانشی» باید حداقل یک بار در هر دهه از منظومه شمسی ما عبور کنند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که چنین عبوری می‌تواند باعث نوسان در مدار مریخ شود، به گونه‌ای که فناوری امروز قادر به شناسایی آن باشد. این شناسایی می‌تواند به ایده‌ای که سیاه‌چاله‌های اولیه منبع اصلی ماده تاریک در سراسر جهان هستند، اعتبار ببخشد.

دیوید کایزر، نویسنده این مطالعه و استاد فیزیک و پروفسور تاریخ علم در MIT می‌گوید: “با توجه به دهه‌ها اندازه‌گیری دقیق، دانشمندان فاصله بین زمین و مریخ را با دقت حدود ۱۰ سانتی‌متر می‌دانند. ما از این منطقه بسیار مجهز به ابزار در فضا استفاده می‌کنیم تا به دنبال یک اثر کوچک بگردیم. اگر آن را ببینیم، این می‌تواند دلیلی واقعی برای ادامه پیگیری این ایده جذاب باشد که تمام ماده تاریک از سیاه‌چاله‌هایی تشکیل شده که کمتر از یک ثانیه پس از بیگ بنگ به وجود آمده‌اند و به مدت ۱۴ میلیارد سال در سراسر جهان در حال حرکت هستند.”

کایزر و همکارانش امروز یافته‌های خود را در نشریه Physical Review D منتشر کردند. نویسنده اصلی این مطالعه، تونگ تران ‘۲۴ است که اکنون دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشگاه استنفورد است؛ سارا گلر ‘۱۲، SM ‘۱۷، PhD ‘۲۳ که اکنون پژوهشگر پسادکترا در دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز است؛ و بنجامین لمان، پژوهشگر پاپالاردو در MIT.

فراتر از ذرات

کمتر از ۲۰ درصد از تمام ماده فیزیکی از مواد قابل مشاهده تشکیل شده است، از ستاره‌ها و سیارات گرفته تا سینک آشپزخانه. بقیه از ماده تاریک تشکیل شده است، شکلی فرضی از ماده که در تمام طیف الکترومغناطیسی نامرئی است، اما تصور می‌شود که در سراسر جهان وجود دارد و نیروی گرانشی کافی برای تأثیرگذاری بر حرکت ستاره‌ها و کهکشان‌ها را اعمال می‌کند. فیزیکدانان در زمین دستگاه‌هایی را برای تلاش به شناسایی ماده تاریک و تعیین خواص آن نصب کرده‌اند. به طور کلی، این آزمایش‌ها فرض می‌کنند که ماده تاریک به عنوان شکلی از ذرات عجیب وجود دارد که ممکن است در حین عبور از یک آزمایش خاص پراکنده و تجزیه شوند.

اما تا کنون، جستجوهای مبتنی بر ذرات نتیجه‌ای نداشته است. در سال‌های اخیر، یک احتمال دیگر که برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ معرفی شده بود، دوباره مورد توجه قرار گرفته است: به جای اینکه به شکل ذره‌ای باشد، ماده تاریک می‌تواند به عنوان سیاه‌چاله‌های میکروسکوپی اولیه وجود داشته باشد که در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند. برخلاف سیاه‌چاله‌های نجومی که از فروپاشی ستاره‌های قدیمی شکل می‌گیرند، سیاه‌چاله‌های اولیه از فروپاشی جیب‌های متراکم گاز در اوایل جهان به وجود آمده‌اند و در حین گسترش و سرد شدن جهان در سراسر کیهان پراکنده شده‌اند.

این سیاه‌چاله‌های اولیه مقدار زیادی جرم را در فضایی کوچک فشرده کرده‌اند. بیشتر این سیاه‌چاله‌ها می‌توانند به اندازه یک اتم کوچک و به سنگینی بزرگ‌ترین سیارک‌ها باشند. بنابراین، قابل تصور است که این غول‌های کوچک بتوانند نیروی گرانشی اعمال کنند که بتواند حداقل بخشی از ماده تاریک را توضیح دهد.

برای تیم MIT، این احتمال یک سوال ابتدایی به نظر می‌رسید. تونگ به یاد می‌آورد: “فکر می‌کنم کسی از من پرسید که اگر یک سیاه‌چاله اولیه از یک بدن انسان عبور کند، چه اتفاقی می‌افتد.” او محاسبه‌ای سریع انجام داد و دریافت که اگر چنین سیاه‌چاله‌ای در فاصله یک متری از یک فرد عبور کند، نیروی آن فرد را ۶ متر، یا حدود ۲۰ فوت، در یک ثانیه به عقب می‌زند. تونگ همچنین متوجه شد که احتمال اینکه یک سیاه‌چاله اولیه به نزدیکی یک فرد در زمین نزدیک شود، به طرز نجومی غیرمحتمل است.

تأثیر گذر سیاه‌چاله‌ها بر زمین و ماه

با افزایش علاقه‌مندی، محققان محاسبات ما را یک گام جلوتر بردند تا تخمین بزنند که گذر یک سیاه‌چاله چگونه می‌تواند بر اجسام بزرگ‌تری مانند زمین و ماه تأثیر بگذارد. ما تخمین زدیم که اگر یک سیاه‌چاله از کنار زمین بگذرد و باعث شود که ماه کمی نوسان کند، چه اتفاقی می‌افتد»، تونگ می‌گوید. «اعدادی که به دست آوردیم چندان واضح نبودند. در سیستم خورشیدی دینامیک‌های دیگری وجود دارد که می‌تواند به عنوان نوعی اصطکاک عمل کند و نوسان را کاهش دهد.»

نزدیکی‌های نزدیک

برای به دست آوردن تصویری واضح‌تر، تیم یک شبیه‌سازی نسبتاً ساده از سیستم خورشیدی ایجاد کرد که شامل مدارها و تعاملات گرانشی بین تمام سیارات و برخی از بزرگ‌ترین ماه‌ها بود. «شبیه‌سازی‌های پیشرفته سیستم خورشیدی شامل بیش از یک میلیون جسم است که هر کدام تأثیر جزئی دارند»، له‌مان اشاره می‌کند. «اما حتی با مدل‌سازی دو دوجین جسم در یک شبیه‌سازی دقیق، می‌توانستیم ببینیم که تأثیر واقعی وجود دارد که می‌توانیم به آن بپردازیم.»

تیم نرخ گذر یک سیاه‌چاله اولیه را از طریق سیستم خورشیدی محاسبه کرد، بر اساس مقدار ماده تاریکی که تخمین زده می‌شود در یک منطقه خاص از فضا وجود دارد و جرم یک سیاه‌چاله در حال گذر که در این مورد فرض کردند به اندازه بزرگ‌ترین سیارک‌ها در سیستم خورشیدی باشد، که با سایر محدودیت‌های اخترفیزیکی سازگار است. «سیاه‌چاله‌های اولیه در سیستم خورشیدی زندگی نمی‌کنند، بلکه آنها در حال عبور از جهان هستند و کار خود را انجام می‌دهند»، سارا گلر، نویسنده همکار می‌گوید. «احتمال این است که آنها هر ۱۰ سال یک بار با زاویه‌ای به سمت سیستم خورشیدی داخلی عبور کنند.»

با توجه به این نرخ، محققان شبیه‌سازی‌های مختلفی از سیاه‌چاله‌های به اندازه سیارک را که از زوایای مختلف و با سرعت‌های حدود ۱۵۰ مایل در ثانیه از سیستم خورشیدی عبور می‌کنند، انجام دادند. (جهت‌ها و سرعت‌ها از مطالعات دیگر درباره توزیع ماده تاریک در کهکشان ما به دست آمده است.) آنها بر روی گذرهایی که به نظر می‌رسید نزدیکی‌های نزدیک هستند، تمرکز کردند، یعنی مواردی که باعث ایجاد تأثیراتی در اجسام اطراف می‌شدند. آنها به سرعت دریافتند که هر تأثیر در زمین یا ماه به اندازه‌ای نامشخص بود که نمی‌توانست به یک سیاه‌چاله خاص نسبت داده شود. اما به نظر می‌رسید مریخ تصویر واضح‌تری ارائه می‌دهد.

محققان دریافتند که اگر یک سیاه‌چاله اولیه در فاصله چند صد میلیون مایل از مریخ عبور کند، این برخورد باعث ایجاد یک نوسان یا انحراف جزئی در مدار مریخ خواهد شد. در عرض چند سال از چنین برخوردی، مدار مریخ باید حدود یک متر تغییر کند – نوسانی بسیار کوچک، با توجه به اینکه این سیاره بیش از ۱۴۰ میلیون مایل از زمین فاصله دارد. و با این حال، این نوسان می‌تواند توسط ابزارهای دقیق مختلفی که امروز در حال نظارت بر مریخ هستند، شناسایی شود.

اگر چنین نوسانی در دو دهه آینده شناسایی شود، محققان اذعان دارند که هنوز کارهای زیادی برای تأیید اینکه این فشار ناشی از یک سیاه‌چاله در حال گذر بوده و نه یک سیارک معمولی، وجود دارد. «ما به وضوح به هر چه بیشتر از زمینه‌های مورد انتظار نیاز داریم، مانند سرعت‌ها و توزیع‌های معمولی سنگ‌های فضایی خسته‌کننده، در مقابل این سیاه‌چاله‌های اولیه»، کایزر اشاره می‌کند. «خوشبختانه، ستاره‌شناسان به مدت دهه‌ها سنگ‌های فضایی معمولی را در حال عبور از سیستم خورشیدی ما ردیابی کرده‌اند، بنابراین می‌توانیم ویژگی‌های معمولی مسیرهای آنها را محاسبه کنیم و شروع به مقایسه آنها با انواع مسیرها و سرعت‌های بسیار متفاوتی که سیاه‌چاله‌های اولیه باید دنبال کنند، کنیم.»

برای کمک به این موضوع، محققان در حال بررسی امکان همکاری جدیدی با گروهی هستند که تجربه گسترده‌ای در شبیه‌سازی تعداد بیشتری از اجسام در سیستم خورشیدی دارد. «ما اکنون در حال کار بر روی شبیه‌سازی تعداد زیادی از اجسام، از سیارات تا ماه‌ها و سنگ‌ها هستیم و اینکه چگونه همه آنها در مقیاس‌های زمانی طولانی حرکت می‌کنند»، گلر می‌گوید. «ما می‌خواهیم سناریوهای نزدیکی را وارد کنیم و اثرات آنها را با دقت بیشتری بررسی کنیم.» این کار به طور جزئی توسط وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم ایالات متحده حمایت شده است، که شامل یک بورس پسادکتری در علوم ریاضی و فیزیکی NSF است.