امواج گرانشی می‌توانند منشأ تشکیل سیاهچاله ها را مشخص کنند

یک پروژه‌ی تحقیقاتی جدید که به‌تازگی در Physical Review Letters منتشر شده است، توضیح می‌دهد که دانشمندان چگونه می‌توانند از بررسی امواج گرانشی، منشأ سیاهچاله‌ها‌ی اولیه را کشف کنند. سیاهچاله‌ها هم‌زمان با انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند و بعضی از دانشمندان معتقدند که معلوم شدن منشأ آن‌ها می‌تواند توضیحی برای ماده‌ی تاریک نیز داشته باشد. طبق گفته‌ی ساواس کوشیاپس، استاد‌یار فیزیک دانشگاه برون:

به‌خوبی می‌دانیم که از در خود فرو‌ریختن یا به‌اصطلاح از رمبیدن یک ستاره‌ی پرجرم، سیاهچاله به وجود می‌آید؛ همینطور به تازگی ادغام شدن دو ستاره‌ی نوترونی را دیده‌ایم. اما این فرضیه وجود دارد که شاید در لحظات اولیه‌ی شکل‌گیری عالم، حتی قبل از تشکیل ستارگان، سیاهچاله‌ها‌یی به‌وجود آمده‌اند. این همان چیزی است که با بررسی امواج گرانشی قصد داریم به آن اشاره کنیم.

تفکر اصلی این است که در لحظات اولیه‌ی پس از انفجار بزرگ، نوسانات کوانتوم مکانیکی باعث پراکندگی ماده شده‌اند و این همان چیزی است که امروزه به‌عنوان جهان در حال انبساط مشاهده می‌کنیم. در این خصوص پیشنهاد می‌شود که ممکن است نوسانات چگالی در نقطه‌ای از عالم آن‌قدر افزایش پیدا کرده که منجر به تشکیل سیاهچاله شده باشد. نظریه‌ی وجود این سیاهچاله‌ها‌ی اولیه، نخستین بار توسط استیون هاوکینگ و همکارانش در ۱۹۷۰ مطرح شد؛ اما تا به حال آشکار‌سازی نشده و هنوز وجود آن‌ها تأیید نشده است.

نوسانات کوانتومی

آشکار‌سازی امواج گرانشی که توسط تیم آزمایشگاه آشکار‌سازی امواج گرانشی به وسیله‌ی تداخل‌سنجی لیزری (LIGO) انجام شده است، می‌تواند این مشکل را حل کند و نوری برای این تاریکی باشد. چنین آزمایش‌ها‌یی، آشفتگی‌ها‌یی در ساختار فضا‌زمان آشکار‌ می‌کنند که به‌وسیله‌ی حوادث بزرگ نجومی مانند برخورد دو سیاهچاله‌ی عظیم شکل گرفته‌اند. لیگو تا به حال امواج حاصل از چند برخورد سیاهچاله‌ای را آشکار‌ کرده است و در آزمایش‌ها‌ی آینده امواج حاصل از برخورد‌ها‌ی سیاهچاله‌ای در زمان‌ها‌ی بسیار دور را نیز آشکار‌ خواهد کرد. به‌گفته‌ی کوشیاپس:

ایده‌ی بسیار ساده‌ای است. با آشکار‌سازی بیشتر از امواج گرانشی در آینده، خواهیم توانست به گذشته‌ها‌ی دور یعنی زمان قبل از شکل‌گیری اولین ستاره‌ها نگاه کنیم و اگر بتوانیم برخورد دو سیاهچاله‌ی قبل از شکل‌گیری اولین ستاره‌ها را آشکار‌ کنیم، متوجه می‌شویم که منشأ ایجاد این سیاهچاله‌ها ستاره‌ها نیستند.

کیهان‌شناسان با استفاده از تکنیک انتقال به سرخ می‌توانند زمان تقریبی یک رویداد را تخمین بزنند. انتقال به سرخ، میزان زیاد شدن طول موج یک موج خاص تحت تأثیر انبساط عالم را نشان می‌دهد. هر‌چه یک پدیده در زمان دور‌تری اتفاق افتاده باشد، امواج حاصل از آن دچار انتقال به سرخ بیش‌تری می‌شوند. با استفاده از این تکنیک، کوشیاپس و لیوب (Leob)، میزان انتقال به سرخ امواج گرانشی حاصل از قدیمی‌ترین سیاهچاله‌ها با منشأ ستاره‌ای را محاسبه کرده‌اند.

آن‌ها نشان داده‌اند که پدیده‌ها‌ی برخورد و ادغام با انتقال به سرخ ۴۰ که مربوط به ۶۵ میلیون سال پس از انفجار بزرگ می‌شوند، نباید بیش‌تر از یک بار در سال اتفاق بیفتند؛ البته این محاسبه با در نظر گرفتن منشأ ستاره‌ای برای سیاهچاله‌ها انجام شده است. طبق این محاسبات، پدیده‌ها‌یی با انتقال به سرخ بیش‌تر از ۴۰ نباید دیده شوند.

انتقال به سرخ و انتقال به آبی

انتقال به سرخ ۴۰ می‌تواند توسط آشکار‌ساز‌ها دیده شود. ولی اگر انتقال به سرخ بیش‌تر از این میزان دیده شود، دو معنی می‌تواند داشته باشد: یکی اینکه سیاهچاله‌ها‌ی اولیه وجود دارند یا این‌که رشد و تکامل عالم ما بسیار با مدل استاندارد کیهان‌شناسی متفاوت است. به هر صورت به‌عقیده‌ی محققان، این می‌تواند یک دستاورد بسیار بزرگ و مهم باشد.

برای مثال، سیاهچاله‌ها‌ی اولیه در گروهی به نام MACHO دسته‌بندی می‌شوند. بعضی از دانشمندان عقیده دارند که ماده‌ی تاریک، ماده‌ی غیر قابل مشاهده‌ای که بیش‌تر جرم عالم ما را تشکیل می‌دهد، به‌وسیله‌ی این سیاهچاله‌ها‌ی اولیه تشکیل شده است. آشکار‌سازی یکی از این سیاهچاله‌ها می‌تواند این موضوع را روشن کند. درحالی‌که عدم آشکار‌سازی، همچنان این موضوع را با شک و تردید همراه می‌سازد.

تنها احتمال دیگری که برای وجود انتقال به سرخی بیش‌تر از ۴۰ می‌توانیم داشته باشیم این است که عالم ما به شکل گاوسی رفتار نمی‌کند. طبق مدل استاندارد کیهان‌شناسی، نوسانات ماده‌ در جهان اولیه به وسیله‌ی تابع احتمال گاوسی توصیف می‌شود. آشکا‌رسازی یکی از برخورد‌ها‌ی مورد نظر می‌تواند نشان بدهد که پراکندگی نوسانات ماده از تابع گاوسی انحراف دارد. به‌گفته‌ی لیوب:

نشانه‌ها‌یی از انحراف از تابع گاوسی، نشان‌گر این است که باید به‌دنبال فیزیک جدیدی برای توصیف نوسانات ماده باشیم که مسئله‌ی بسیار دشواری خواهد بود.

هنوز آشکار‌سازی انتقال به سرخ بیش‌تر از ۴۰ برای هیچ برخورد سیاهچاله‌ای آشکار‌سازی نشده است. اگر هم چنین انتقالی آشکار‌سازی شود، باید بررسی شود که آیا نشان‌گر سیاهچاله‌ها‌ی اولیه است یا خیر. عدم آشکار‌سازی چنین برخورد‌ها‌یی، تمامی این ایده‌ها و تفکرات را به چالش می‌کشد.