زمزمهای مرموز از امواج گرانشی که سراسر کیهان را پر کرده است، شاید پژواکی از «ستارگان تاریک» باشد؛ اجرام فرضی جهان اولیه که ممکن است با فروپاشی خود، بذرهای سنگین نخستین سیاهچالههای کلانجرم را پدید آورده باشند.
بهگزارش اسپیسداتکام، پژوهشی تازه این احتمال را مطرح میکند که ستارگان تاریک فرضی ممکن است در شکلگیری سریع سیاهچالههای کلانجرم در نخستین میلیارد سال کیهان نقش داشته باشند و بخشی از امواج گرانشی زمینهی مشاهدهشده را توضیح دهند.
امواج گرانشی کمبسامد، نخستینبار در سال ۲۰۲۳ با استفاده از شبکهای از تپاخترها و روشی موسوم به «آرایه زمانسنجی تپاختری» شناسایی شدند. تپاخترها یا پولسار، ستارههای نوترونی پرچگالی هستند که با سرعت زیاد و نظم چشمگیری میچرخند و از قطبهای خود پرتوهایی از تابش ساطع میکنند. با اندازهگیری دقیق زمان رسیدن این پرتوها به زمین، میتوان تغییرات بسیار ظریف در فاصلهی میان زمین و تپاخترها را ردیابی کرد؛ تغییراتی که ممکن است حاصل عبور امواج گرانشی و انقباض و انبساط فضا-زمان باشند.
سیاهچالههای کلانجرم چگونه در کیهان اولیه شکل گرفتند؟
منشأ امواج گرانشی زمینه برای مدتها نامشخص بود. توضیح رایج این است که سیگنال مشاهدهشده، حاصل جمع امواج گرانشی تولیدشده هنگام چرخش مارپیچی و ادغام جفتهای سیاهچاله کلانجرم در طول تاریخ کیهان است. بااینحال، پرسش مهمتری بیپاسخ میماند: سیاهچالههای کلانجرم چگونه در کیهان اولیه شکل گرفتند؟
معمای بیپاسخ با مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) اهمیت بیشتری یافته است. جیمزوب نمونههایی از سیاهچالههای کلانجرم را در کیهانی با عمر کمتر از یک میلیارد سال شناسایی کرده است؛ درحالیکه بر اساس برخی مدلهای شکلگیری، رشد سیاهچالههای اولیه از بذرهای کوچک از طریق تغذیه و ادغامهای پیدرپی، به زمان بیشتری نیاز دارد.
کازمین ایلی، پژوهشگر در دانشگاه کالگیت و عضو تیم پژوهش، میگوید: «ستارگان تاریک در ابتدا بهعنوان اجرامی مطرح شدند که شاید مستقیماً در سپیدهدم کیهانی مشاهده شوند. پژوهش اما رویکردی کاملاً متفاوت برای بررسی نقش احتمالی آنها در تاریخ کیهان ارائه میدهد. بازماندههای این ستارگان میتوانند اثری گرانشی بر جای گذاشته باشند که ردپای آن تابهامروز در جهان باقی مانده است.»
ایلی و همکارانش در دانشگاه کالگیت برای حل معما، بررسی کردند که آیا رشد سیاهچالههای کلانجرم میتوانسته از بذرهایی بسیار سنگین آغاز شده باشد و آیا بذرها حاصل فروپاشی ستارگان تاریک بودهاند؟
شکلگیری و رشد ستارگان تاریک
ستارگان تاریک، اجرامی فرضی هستند که ممکن است در جهان اولیه شکل گرفته باشند. برخلاف ستارگان معمولی که انرژی خود را از همجوشی هستهای تأمین میکنند، منبع انرژی این اجرام در مدلهای نظری، نابودی متقابل ذرات ماده تاریک در هستهی آنهاست. همین فرایند میتواند مانع از فروپاشی سریع ستاره شود؛ بنابراین ستاره میتواند برای طولانیمدت به جذب ماده از محیط ادامه دهد.
- ماده تاریک چیست؟ هرآنچه درباره عنصر نامرئی سازنده کیهان میدانیم25 اردیبهشت 04مطالعه '14
- آیا بالاخره ماده تاریک مرموز را کشف کردهایم؟ پژوهشگران هنوز شک دارند09 آذر 04مطالعه '4
- آیا ماده تاریک ممکن است از سیاهچالههای جهانی دیگر ساخته شده باشد؟06 اردیبهشت 05مطالعه '6
در این سناریو، ستارگان تاریک میتوانستند به جرمهایی بسیار بیشتر از ستارگان معمولی برسند و در نهایت زیر اثر گرانش خود فروبپاشند. حاصل فروپاشی، چندین سیاهچاله با جرم بسیار زیاد خواهد بود؛ بذرهایی سنگین که مسیر شکلگیری سیاهچالههای کلانجرم را از همان نخستین مراحل تاریخ کیهان کوتاه میکنند.
پژوهشگران با مدلسازی محیطی که در آن بذرهای سیاهچالهای شکل میگیرند و با یکدیگر ادغام میشوند، نرخ ادغامها و سهمشان در تولید امواج گرانشی زمینه را محاسبه کردند. نتایج نشان داد بازماندههای ستارگان تاریک میتوانند سهمی چشمگیر و حتی در برخی شرایط سهم غالب، در امواج گرانشی زمینهی شناساییشده در سال ۲۰۲۳ داشته باشند.
همچنین، یافتهها نشان میدهد کاربرد دادههای آرایههای زمانسنجی تپاختری فقط به مطالعهی جمعیت سیاهچالههای کلانجرم در کیهان متأخر محدود نمیشود؛ ممکن است اطلاعاتی دربارهی خاستگاه آنها در سپیدهدم کیهانی نیز داشته باشند.
- چرا جهان مملو از سیاهچالههای غیرممکن است؟ دانشمندان بالاخره پاسخ را یافتهاند15 خرداد 05مطالعه '4
سهان قدله، عضو تیم مطالعه، توضیح میدهد: «اگر تعداد بذرهای سنگین بیشازحد باشد، سیگنالی که آرایه زمانسنجی تپاختری شناسایی کرده، بیشاز مقدار واقعی خواهد بود. اگر تعداد کم باشد، برای توضیح مشاهدات آرایه به منابع دیگری نیاز است تا سیاهچالههای کلانجرم را در دورههای متأخرتر کیهان با سرعت کافی شکل دهند.»
یکی از عوامل تعیینکننده در مدل، جرم هالههای ماده تاریک است؛ ساختارهایی که ستارگان تاریک درون آنها شکل میگیرند و بذرهای سنگین سیاهچالهای نیز در دل همین هالهها پدید میآیند. بنابراین، تعداد و جرم هالهها میتواند بر تعداد سیاهچالههای حاصل از فروپاشی ستارگان تاریک و در نهایت، شدت پسزمینه امواج گرانشی اثر بگذارد.
اما با وجود جذابیت سناریو، وجود ستارگان تاریک و نقش آنها در شکلگیری نخستین سیاهچالههای کلانجرم همچنان در حد فرضیه است. تأیید یا رد ایده به سنجش دقیقتر امواج گرانشی زمینه با آرایههای زمانسنجی تپاختری و شناخت بهتر سیاهچالهها در جهان اولیه نیاز دارد. در صورت تأیید، امواج گرانشی میتوانند به ابزاری برای مطالعهی اجرامی تبدیل شوند که شاید مستقیماً مشاهدهپذیر نباشند. هچنین، سرنخهایی دربارهی چگونگی شکلگیری نخستین سیاهچالههای کلانجرم در اختیار دانشمندان بگذارند.
نتایج پژوهش در نشریهی Physical Review D منتشر شده است.
