سیاه‌چاله‌های اولیه، راز ماده تاریک؟ لرزش مریخ این نظریه را تایید می‌کند!

یک حدس از فیزیکدان‌های MIT درباره سیاهچاله‌های اولیه وجهانِ ماده تاریک

این بار، یه گروه پژوهشگر از MIT توی یه مطالعه تازه، یه ایده رو مطرح کردن: اگه بخشِ اعظم ماده تاریک توی عالم، از سیاهچاله‌های کوچیک و اولیه تشکیل شده باشه – که خودش یه فرضیه قدیمی از دهه 1970ـه –، احتمالاً این «کوتوله‌های گرانشی» باید هر ده سال یه بار، از منظومه شمسی ما رد بشن. این محقق‌ها پیش‌بینی می‌کنن که عبور این سیاهچاله‌ها می‌تونه باعث یه جور لرزش توی مدار مریخ بشه، لرزشی که با تکنولوژی امروزی می‌شه تشخیصش داد. اگه این اتفاق بیفته، می‌تونه یه تایید باشه بر این ایده که سیاهچاله‌های اولیه، منبع اصلی ماده تاریک توی کل کیهان هستن.

دیوید کایزر، نویسنده این مقاله و استاد فیزیک و تاریخ علم در MIT، می‌گه: «بعد از دهه‌ها اندازه‌گیری‌های خیلی دقیق، دانشمندا فاصله بین زمین و مریخ رو با دقت حدود 10 سانتی‌متر می‌دونن. ما از این ابزارهای خیلی پیشرفته‌ای که توی فضا داریم استفاده می‌کنیم تا یه اثر کوچیک رو پیدا کنیم. اگه پیداش کنیم، می‌شه یه دلیل محکم برای پیگیری این ایده جذاب داشت که کل ماده تاریک از سیاهچاله‌هایی تشکیل شده که کمتر از یه ثانیه بعد از بیگ‌بنگ به وجود اومدن و 14 میلیارد ساله که دارن توی عالم سفر می‌کنن.»

کایزر و همکاراش امروز نتایج کارشون رو توی مجله Physical Review D منتشر کردن. نویسنده اصلی این مقاله، تونگ تران ’24 هست، که الان دانشجوی دکترا در دانشگاه استنفورده؛ سارا گلر ’12، ’17 SM، و ’23 PhD که الان محقق پسا دکترا توی دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروزه؛ و بنجامین لمان، یه پژوهشگر توی MIT.

فراتر از ذره‌ها

کمتر از ۲۰ درصد از کل ماده فیزیکی، از چیزای دیدنی ساخته شده، از ستاره‌ها و سیاره‌ها گرفته تا سینک ظرفشویی خونه. بقیه این ماده‌ها رو ماده تاریک تشکیل می‌ده، یه نوع ماده فرضی که دیده نمی‌شه و تو کل طیف الکترومغناطیسی نامرئیه، اما تصور می‌شه تو سراسر کیهان پراکنده شده و اونقدر نیروی جاذبه داره که می‌تونه روی حرکت ستاره‌ها و کهکشان‌ها اثر بذاره. دانشمندای فیزیک توی زمین، دستگاه‌هایی رو نصب کردن که تلاش می‌کنن این ماده تاریک رو پیدا کنن و خواصش رو تعیین کنن. معمولاً این آزمایشا اینطوری فرض می‌کنن که ماده تاریک به شکل یه ذره‌های عجیب وجود داره که ممکنه وقتی از یه آزمایش خاص رد می‌شن، پراکنده یا از هم بپاشن.

اما تا حالا، این جستجوها که بر مبنای ذرات بودن، نتیجه‌ای نداشتن. توی سال‌های اخیر، یه احتمال دیگه – که اولین بار تو دهه ۱۹۷۰ مطرح شده بود – دوباره داره مورد توجه قرار می‌گیره: ماده تاریک، به‌جای اینکه به شکل ذره باشه، می‌تونه به‌صورت سیاهچاله‌های ریز و اولیه وجود داشته باشه که توی لحظات اول بعد از بیگ‌بنگ شکل گرفتن. سیاهچاله‌های نجومی از فروپاشی ستاره‌های پیر به‌وجود میان، اما سیاهچاله‌های اولیه از فروپاشی توده‌های متراکم گاز تو اوایل شکل‌گیری عالم به‌وجود اومدن و توی کل کیهان پخش شدن، اون‌هم همزمان با گسترش و سرد شدن کیهان.

این سیاهچاله‌های اولیه جرم زیادی رو توی یه فضای کوچیک جمع کردن. اکثر این سیاهچاله‌ها، اندازه‌شون می‌تونه به‌اندازه یه اتم کوچیک باشه و وزن‌شون هم به‌اندازه بزرگ‌ترین سیارک‌ها. پس، این فکر وجود داره که این غول‌های کوچیک بتونن یه نیروی گرانشی اعمال کنن که حداقل بتونه بخشی از ماده تاریک رو توضیح بده.

برای گروه MIT، این احتمال، یه سوال ساده به نظر می‌رسید. تونگ یادش میاد: «فکر کنم یه نفر از من پرسید که اگه یه سیاهچاله اولیه از وسط یه آدم رد بشه، چی میشه؟» اون یه حساب سرانگشتی کرد و فهمید که اگه یه سیاهچاله این شکلی، با فاصله یه متری از یه نفر رد بشه، اون فرد رو ۶ متر، یا حدود ۲۰ فوت، تو یه ثانیه به عقب پرت می‌کنه. تونگ همچنین فهمید که احتمال اینکه یه سیاهچاله اولیه به یه آدم روی زمین نزدیک بشه، خیلی خیلی کمه!

تأثیر عبور سیاهچاله‌ها روی زمین و ماه

با زیاد شدن این علاقه، محقق‌ها محاسبات ما رو یه قدم جلوتر بردن تا تخمین بزنن که عبور یه سیاهچاله چطوری می‌تونه روی اجسام بزرگ‌تر مثل زمین و ماه اثر بذاره. ما یه برآورد زدیم که اگه سیاهچاله از کنار زمین رد بشه و باعث بشه ماه یه ذره تکون بخوره، چه اتفاقی میفته»، تونگ میگه. «اعداد اونقدر واضح نبودن. تو سیستم خورشیدی، نیروهای دیگه‌ای هست که می‌تونه مثل یه جور اصطکاک عمل کنه و جلوی اون تکون خوردن رو بگیره.»

تقریباً نزدیک

برای اینکه تصویر واضح‌تری به‌دست بیارن، تیم یه شبیه‌سازی نسبتاً ساده از منظومه شمسی درست کردن، که شامل مدارها و تعاملات گرانشی بین همه سیاره‌ها و چندتا از بزرگ‌ترین ماه‌ها بود. له‌مان اشاره می‌کنه: «شبیه‌سازی‌های پیشرفته ‌منظومه خورشیدی شامل بیش از یه میلیون جسمه که هرکدوم تأثیر جزئی دارن. اما حتی با مدل‌سازی دو دوجین جسم توی یه شبیه‌سازی دقیق، می‌تونستیم ببینیم که یه تأثیر واقعی هست که می‌تونیم روش کار کنیم.»

این تیم، سرعت عبور یه سیاهچاله اولیه از تو منظومه شمسی رو محاسبه کردن، بر اساس مقدار ماده تاریکی که تخمین زده می‌شد توی یه قسمت خاص از فضا باشه و جرم یه سیاهچاله در حال عبور که، تو این مورد، فرض کردن به اندازه بزرگ‌ترین سیارک‌ها تو منظومه شمسی باشه، این هم با بقیه محدودیت‌های اخترفیزیکی هماهنگه. سارا گلر، نویسنده همکار، می‌گه: «سیاهچاله‌های اولیه توی منظومه خورشیدی زندگی نمی‌کنن، بلکه دارن از عالم رد می‌شن و کار خودشون رو انجام می‌دن. احتمال اینه که هر ده سال یه بار، با یه زاویه‌ای به سمت قسمت داخلی منظومه خورشیدی رد بشن.»

باتوجه‌به این سرعت عبور، محقق‌ها شبیه‌سازی‌های مختلفی از سیاهچاله‌های به اندازه سیارک رو انجام دادن، که از زوایای مختلف و با سرعت‌های حدود 150 مایل در ثانیه از منظومه خورشیدی رد می‌شدن. (جهت و سرعت‌ها از تحقیقات دیگه در مورد پخش شدن ماده تاریک توی کهکشان ما به‌دست اومده.) اونا روی عبورهایی تمرکز کردن که به‌نظر می‌رسید تقریباً نزدیک هستن، یعنی اونایی که باعث می‌شدن اجسام اطرافشون یه تکونی بخورن. به‌سرعت فهمیدن که هر تأثیری روی زمین یا ماه، اونقدر کم بود که نمی‌شد به یه سیاهچاله خاص ربطش داد. اما به‌نظر می‌رسید مریخ، تصویر واضح‌تری نشون می‌ده.

محقق‌ها فهمیدن که اگه یه سیاهچاله اولیه با فاصله چند صد میلیون مایلی از مریخ رد بشه، این برخورد باعث می‌شه یه لرزش یا انحراف کوچکی تو مدار مریخ به‌وجود بیاد. توی چند سال بعد از یه همچین برخوردی، مدار مریخ باید حدود یه متر تغییر کنه – یه لرزش خیلی کوچیک، با توجه به اینکه این سیاره بیش از ۱۴۰ میلیون مایل از زمین دوره. ولی با این حال، این لرزش می‌تونه توسط ابزارهای دقیق مختلفی که امروزه دارن مریخ رو رصد می‌کنن، شناسایی بشه.

اگه همچین لرزشی تو دو دهه آینده شناسایی بشه، محقق‌ها اذعان می‌کنن که هنوز کارای زیادی باید انجام بشه که ثابت کنن این فشار، به‌خاطر رد شدن یه سیاهچاله بوده، نه یه سیارک معمولی. کایزر اشاره می‌کنه: «ما قطعاً به اطلاعات بیشتری از زمینه‌ها و چیزایی که انتظارش رو داریم نیاز داریم، مثل سرعت‌ها و پخش شدن سنگ‌های فضایی، در مقابل این سیاهچاله‌های اولیه. خوشبختانه، ستاره‌شناسا دهه‌هاست که دارن سنگ‌های فضایی معمولی رو که از منظومه شمسی ما رد می‌شن، دنبال می‌کنن، پس می‌تونیم ویژگی‌های معمولی مسیراشون رو حساب کنیم و با انواع مسیرها و سرعت‌های خیلی متفاوتی که سیاهچاله‌های اولیه باید برن، مقایسه‌شون کنیم.»

برای کمک به این موضوع، محقق‌ها دارن احتمال همکاری جدیدی رو با یه گروه بررسی می‌کنن که تجربه زیادی توی شبیه‌سازی تعداد بیشتری از اجسام توی منظومه شمسی دارن. گلر می‌گه: «ما الان داریم روی شبیه‌سازی تعداد زیادی از اجسام، از سیاره‌ها تا ماه‌ها و سنگ‌ها، و اینکه چطوری همه‌شون تو مقیاس‌های زمانی طولانی حرکت می‌کنن، کار می‌کنیم. ما می‌خوایم سناریوهای نزدیک رو وارد کنیم و اثراتشون رو با دقت بیشتری بررسی کنیم.» این کار با کمک مالی وزارت انرژی آمریکا و بنیاد ملی علوم آمریکا داره انجام می‌شه، که شامل یه بورس پسا دکتری تو علوم ریاضی و فیزیکی NSF هم می‌شه.