آیا ماده تاریک ممکن است از سیاهچالههای جهانی دیگر ساخته شده باشد؟
خلاصه مقاله:
- پژوهشی جدید میگوید ماده تاریک ممکن است از سیاهچالههایی بسیار قدیمی تشکیل شده باشد. در این دیدگاه، مهبانگ آغاز مطلق جهان نیست، بلکه نتیجهٔ جهش کیهانی پس از دورهای از انقباض است.
- برخلاف مدل استاندارد، برخی ساختارها مانند سیاهچالهها میتوانند از این گذار جان سالم به در ببرند. این سیاهچالههای باقیمانده میتوانند همان چیزی باشند که امروز بهعنوان ماده تاریک میشناسیم.
- نظریه جدید همچنین میتواند وجود اجرام بسیار پرجرم در اوایل تاریخ جهان را توضیح دهد.
آیا ممکن است ماده تاریک از سیاهچالههایی ساخته شده باشد که به جهانی پیش از بیگبنگ تعلق دارند؟ پژوهشی تازه چنین احتمالی را مطرح میکند و میگوید بقایای سیاهچالههایی که پیش از آغاز جهان کنونی شکل گرفتهاند، شاید هنوز هم در شکلگیری و پایداری کهکشانها نقش داشته باشند.
بهطور کلی، سیاهچالهها مناطقی از فضا-زمان هستند که در آنها ماده در حجمی بسیار کوچک فشرده شده است. درمقابل، «ماده تاریک» نوعی ماده نامرئی است که نور را نه بازتاب میدهد و نه جذب میکند. بااینحال، اخترشناسان از طریق اثرات گرانشی آن بر کهکشانها و ساختارهای کیهانی میدانند چنین مادهای وجود دارد. به بیان ساده، ماده تاریک مانند «چسبی نامرئی» عمل میکند که اجزای کهکشانها را کنار هم نگه میدارد، اما ماهیت بنیادی آن همچنان ناشناخته است. بسیاری از فیزیکدانان معتقدند این ماده از ذرات زیراتمی کشفنشده تشکیل شده است.
بااینحال، سیاهچالههای بسیار قدیمی که پیش از بیگبنگ به وجود آمدهاند نیز ویژگیهای لازم را دارند: آنها تاریکاند و در عین حال جرم زیاد دارند. مقالهای جدید این ایده را بررسی کرده و نشان میدهد که اگر چنین سیاهچالههایی وجود داشته باشند، میتوانند نامزد مناسبی برای ماده تاریک باشند. البته این فرضیه نیازمند بازنگری در درک ما از بیگبنگ نیز است.
نزدیک یک قرن است که کیهانشناسان تاریخ جهان را به یک لحظه آغازین، یعنی بیگبنگ نسبت میدهند. اما شاید این رویداد، آغاز مطلق زمان نبوده باشد. این احتمال وجود دارد که پیش از بیگبنگ، جهانی دیگر وجود داشته است. در این سناریو، جهان ابتدا دچار فروپاشی شده، سپس وارد مرحلهای از انبساط شده است و بیگبنگ در واقع نقطه گذار میان این دو مرحله محسوب میشود.
مدل بیگبنگ تاکنون بسیار موفق بوده است. این مدل تابش پسزمینه کیهانی (که نوعی تابش باقیمانده از دوران اولیه جهان است) را بهخوبی توضیح میدهد و توزیع بزرگمقیاس کهکشانها را نیز با دقت بالایی پیشبینی میکند. اما در چارچوب نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، بیگبنگ به یک تکینگی منتهی میشود؛ نقطهای که در آن چگالی به بینهایت میرسد و قوانین شناختهشده فیزیک دیگر کارایی ندارند.
بسیاری از فیزیکدانان این تکینگی را نه یک واقعیت فیزیکی، بلکه نشانهای از ناقصبودن نظریههای فعلی میدانند. به بیان دیگر، تکینگیها بیشتر هشدارهای ریاضی هستند تا پدیدههایی واقعی؛ آنها نشان میدهند که نظریههای کنونی قادر به توصیف نخستین لحظات جهان نیستند.
همان طور که انریکه گازتاناگا، استاد اخترفیزیک مؤسسه کیهانشناسی و گرانش دانشگاه پورتسموث، در وبسایت کانورسیشن توضیح می دهد یکی از جایگزینهای پیشنهادی برای بیگبنگ، کیهانشناسی جهشی (Bouncing Cosmology) است. در این دیدگاه، جهان پیش از بیگبنگ وارد مرحلهای از انقباض شده و به چگالی بسیار بالا اما نه بینهایت، رسیده است. سپس بهجای فروپاشی کامل، نوعی «بازگشت» یا جهش رخ داده و فاز انبساطی جدید آغاز شده است.
این مدلها دهههاست مورد بررسی قرار گرفتهاند و معمولاً به اصلاحاتی در نظریه گرانش یا معرفی اجزای جدید و عجیب نیاز دارند. اما پژوهش جدید نشان میدهد چنین جهشی میتواند در چارچوب فیزیک استاندارد و با در نظر گرفتن همزمان گرانش و اثرات مکانیک کوانتومی نیز رخ دهد.
در کیهانشناسی استاندارد، بلافاصله پس از بیگبنگ، دورهای از انبساط بسیار سریع به نام تورم» رخ میدهد که تقریباً تمام ساختارهای پیشین را از بین میبرد. اما در مدل جهشی، وضعیت متفاوت است. این پژوهش نشان میدهد ساختارهایی بزرگتر از حدود ۹۰ متر میتوانند از مرحله گذار بین انقباض و انبساط جان سالم به در ببرند. این بقایا که بقایای کیهانی نامیده میشوند، میتوانند شامل سیاهچالهها، امواج گرانشی و نوسانات چگالی باشند.
فیزیک کوانتومی سرنخ مهمی برای درک این موضوع ارائه میدهد. بر اساس اصل طرد پائولی که یکی از اصول بنیادی نظریه کوانتومی است، ماده در چگالیهای بسیار بالا به حالتی به نام تبهگنی (Degenerate) میرسد. در این حالت، فشاری ایجاد میشود که حتی بدون گرما نیز از فشردهتر شدن بیشتر ماده جلوگیری میکند.
در مدل ارائهشده، اثری مشابه در مقیاس کیهانی رخ میدهد. این پدیده میتواند توضیح دهد که چرا جهان بهطور کامل فرو نمیریزد و چگونه برخی ساختارها میتوانند از مرحله جهش عبور کنند و به جهان در حال انبساط منتقل شوند.
پژوهشگران دو مسیر اصلی برای شکلگیری سیاهچالههای باقیمانده معرفی میکنند. نخست، بقای مستقیم ساختارهای فشرده و نوساناتی است که در مرحله انقباض ایجاد شدهاند. این ساختارها میتوانند از جهش عبور کنند و در جهان جدید باقی بمانند.
مسیر دوم بهمراتب جالبتر است. در طول انقباض، ماده تحتتأثیر گرانش بهطور طبیعی به هم میچسبد و ساختارهایی شبیه هالههای کهکشانی تشکیل میدهد. پس از جهش، این ساختارها میتوانند بهسرعت به سیاهچاله تبدیل شوند. به بیان دیگر، کهکشانها و ستارگانِ متعلق به جهان پیشین، در این فرآیند به سیاهچالههایی تبدیل میشوند که گرچه جزئیات ساختاری خود را از دست میدهند، جرمشان حفظ میشود.
- براساس پژوهشی جدید سیاهچالهها میتوانند به بزرگی یک کهکشان باشند06 بهمن 99مطالعه '2
- ماده تاریک ممکن است قبل از بیگ بنگ به وجود آمده باشد27 آذر 03مطالعه '3
چنین ایدهای این پرسش را مطرح میکند: آیا آن سیاهچالهها میتوانند همان ماده تاریک باشند؟ از دههها پیش، نامزد اصلی ماده تاریک، ذرات بنیادی ناشناخته بوده است، اما هیچکدام از این ذرات هنوز بهطور مستقیم شناسایی نشدهاند.
در این میان، سیاهچالههای باستانی جایگزینی جذاب ارائه میدهند. اگر تعداد کافی از این اجرام در اثر جهش کیهانی تولید شده باشد، میتوانند بخش قابلتوجهی از ماده تاریک را تشکیل دهند.
این ایده همچنین ممکن است به حل یکی از معماهای مهم سالهای اخیر کمک کند. تلسکوپ فضایی جیمز وب جمعیتی از اجرام بسیار فشرده و فوقالعاده سرخ را در جهان اولیه کشف کرده است که به نقاط قرمز کوچک معروف شدهاند. این اجرام تنها چند صد میلیون سال پس از بیگبنگ ظاهر شدهاند، اما جرم و درخشندگی آنها بیش از حد انتظار است.
بسیاری از اخترشناسان معتقدند این اجرام با سیاهچالههای در حال رشد سریع مرتبطاند؛ شاید همان بذرهایی که بعدها به سیاهچالههای کلانجرم در مرکز کهکشانها تبدیل شدهاند. اما توضیح شکلگیری سریع چنین اجرامی در چارچوب مدل استاندارد بسیار دشوار است.
در اینجا نیز سیاهچالههای باقیمانده میتوانند پاسخی طبیعی ارائه دهند. اگر بذرهای پرجرم از همان ابتدا، یعنی بلافاصله پس از جهش وجود داشته باشند، دیگر نیازی نیست جهان اولیه همهچیز را از صفر شروع کند. در این صورت، سیاهچالههای کلانجرم میتوانند از بقایای بسیار قدیمی رشد کرده باشند.
در مجموع، سناریوی «جهش کیهانی» چارچوبی یکپارچه برای حل چندین مسئله مهم در کیهانشناسی ارائه میدهد. در این چارچوب، تکینگی بیگبنگ با یک گذار کوانتومی جایگزین میشود که ممکن است با مفهوم پل اینشتین–روزن، یعنی نوعی ارتباط ریاضی میان دو ناحیه متفاوت از فضا-زمان، مرتبط باشد. همچنین، تورم کیهانی میتواند بهطور طبیعی از دینامیک نزدیک به این جهش ناشی شود، انرژی تاریک ممکن است به ساختار کلی یک جهان محدود مربوط باشد، و امواج گرانشی نیز میتوانند نشانههایی از فاز پیشین جهان را در خود حمل کنند.
بااینحال، هنوز کارهای زیادی باقی مانده است. این ایدهها باید با دادههای رصدی، از جمله پسزمینه امواج گرانشی، نقشهبرداری از کهکشانها و اندازهگیریهای دقیق تابش پسزمینه کیهانی، آزمایش شوند.
اما اگر این فرضیهها درست باشند، پیامد آن بسیار عمیق خواهد بود: جهان ممکن است تنها یکبار آغاز نشده باشد، بلکه از یک چرخه پیشین «بازگشته» باشد و ساختارهای تاریکی که امروز کهکشانها را شکل میدهند، شاید یادگارهایی از زمانی پیش از بیگبنگ باشند.