ايتنا - احتمال وجود ماده تاریک در سیاه‌چاله‌های اولیه

در یک مطالعه جدید، فیزیکدانان MIT پیشنهاد کرده‌اند که اگر بیشتر ماده تاریک جهان از سیاه‌چاله‌های ریز و اولیه ساخته شده باشد – ایده‌ای که برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ مطرح شد – آنگاه این کوتوله‌های گرانشی باید حداقل یک بار در هر دهه از منظومه شمسی ما عبور کنند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که چنین گذری می‌تواند باعث لرزشی در مدار مریخ شود که با فناوری امروزی قابل تشخیص است.

چنین تشخیصی می‌تواند از این ایده حمایت کند که سیاه‌چاله‌های اولیه منبع اصلی ماده تاریک در سراسر جهان هستند.

دیوید کایزر، استاد فیزیک و استاد تاریخ علم در MIT و نویسنده این مطالعه گفت: با داشتن دهه‌ها تله‌متری دقیق، دانشمندان فاصله بین زمین و مریخ را با دقتی در حد ۱۰ سانتی‌متر می‌دانند. ما از این منطقه به‌خوبی تجهیز شده فضایی برای جستجوی یک اثر کوچک استفاده می‌کنیم. اگر این اثر را ببینیم، دلیلی واقعی برای پیگیری این ایده هیجان‌انگیز خواهیم داشت که تمام ماده تاریک از سیاه‌چاله‌هایی تشکیل شده که در کمتر از یک ثانیه پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند و به مدت ۱۴ میلیارد سال در سراسر جهان پراکنده شده‌اند.

کایزر و همکارانش یافته‌های خود را در مجله Physical Review D منتشر کردند. نویسنده اصلی این مطالعه تانگ تران، دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه استنفورد؛ سارا گیلر، دکترا، محقق پسادکترا در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز؛ و بنیامین لهمن، پژوهشگر MIT پاپالاردو هستند.
فراتر از ذرات
کمتر از ۲۰ درصد از تمام ماده فیزیکی از مواد قابل مشاهده تشکیل شده است، از ستارگان و سیارات گرفته تا سینک آشپزخانه. بقیه از ماده تاریک تشکیل شده است، نوعی ماده فرضی که در سراسر طیف الکترومغناطیسی نامرئی است، اما تصور می‌شود که در سراسر جهان پراکنده شده و نیروی گرانشی کافی برای تأثیرگذاری بر حرکت ستارگان و کهکشان‌ها را اعمال می‌کند.

فیزیکدانان آشکارساز‌هایی روی زمین نصب کرده‌اند تا سعی کنند ماده تاریک را ردیابی کرده و ویژگی‌های آن را مشخص کنند. در بیشتر این آزمایش‌ها فرض بر این است که ماده تاریک به شکل نوعی ذره خاص وجود دارد که ممکن است هنگام عبور از یک آزمایش به ذرات قابل مشاهده تبدیل شود. اما تاکنون جستجو‌های مبتنی بر ذرات نتیجه‌ای نداشته‌اند.

در سال‌های اخیر، احتمال دیگری که برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ مطرح شد، دوباره مورد توجه قرار گرفته است: به‌جای اینکه ماده تاریک به شکل ذرات باشد، ممکن است به‌صورت سیاه‌چاله‌های ریز و اولیه وجود داشته باشد که در لحظات اولیه پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند.

برخلاف سیاه‌چاله‌های اخترفیزیکی که از فروپاشی ستارگان قدیمی به وجود می‌آیند، سیاه‌چاله‌های اولیه از فروپاشی جیب‌های متراکم گاز در اوایل کیهان شکل گرفته‌اند و با گسترش و سرد شدن جهان در سراسر کیهان پراکنده شده‌اند.

این سیاه‌چاله‌های اولیه ممکن است مقدار عظیمی از جرم را در فضای بسیار کوچکی فروپاشانده باشند. بیشتر این سیاه‌چاله‌های اولیه ممکن است به اندازه یک اتم کوچک و به اندازه بزرگ‌ترین سیارک‌ها سنگین باشند. از این رو، این غول‌های ریز می‌توانند نیروی گرانشی کافی داشته باشند که بتواند بخش بزرگی از ماده تاریک را توضیح دهد. برای تیم MIT، این احتمال یک سوال اولیه و شاید مضحک را مطرح کرد.

تانگ گفت: فکر می‌کنم کسی از من پرسید چه اتفاقی می‌افتد اگر یک سیاه‌چاله اولیه از بدن یک انسان عبور کند و با انجام محاسبات سریع متوجه شد که اگر چنین سیاه‌چاله‌ای در فاصله یک متری یک شخص عبور کند، نیروی آن می‌تواند شخص را در یک ثانیه به اندازه ۶ متر، یعنی حدود ۲۰ فوت دور کند. تانگ همچنین دریافت که احتمال اینکه یک سیاه‌چاله اولیه از نزدیکی شخصی بر روی زمین عبور کند، بسیار اندک است.

برخورد‌های نزدیک
برای به‌دست آوردن تصویر واضح‌تر، تیم MIT یک شبیه‌سازی نسبتاً ساده از منظومه شمسی ایجاد کرد که مدار‌ها و تعاملات گرانشی بین همه سیارات و برخی از بزرگ‌ترین قمر‌ها را شامل می‌شود.

این تیم نرخ عبور یک سیاه‌چاله اولیه از منظومه شمسی را محاسبه کرد، بر اساس مقدار ماده تاریکی که تخمین زده می‌شود در یک منطقه خاص از فضا وجود داشته باشد و جرم یک سیاه‌چاله که در این حالت، فرض شد به اندازه بزرگ‌ترین سیارک‌های منظومه شمسی باشد.

محققان متوجه شدند که اگر یک سیاه‌چاله اولیه از چند صد میلیون مایلی مریخ عبور کند، این برخورد باعث یک "لرزش" در مدار مریخ می‌شود. در طی چند سال پس از چنین برخوردی، مدار مریخ باید حدود یک متر جابجا شود که لرزشی بسیار کوچک است، با توجه به اینکه مریخ بیش از ۱۴۰ میلیون مایل از زمین فاصله دارد. با این حال، این لرزش می‌تواند توسط ابزار‌های با دقت بالا که امروز مریخ را رصد می‌کنند، تشخیص داده شود.

مت کاپلان، استاد فیزیک در دانشگاه ایالتی ایلینویاین گفت: آزمایش پیشنهادی بسیار جالب است و می‌تواند به ما بگوید که نزدیک‌ترین سیاه‌چاله نزدیک‌تر از آن چیزی است که تصور می‌کنیم که در این مطالعه دخیل نبوده است.

منبع: برنا