فیزیک عجیب در لبه‌های سیاهچاله‌ها ممکن است به حل مشکل هابل کمک کند

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که سرعت انبساط کیهان در سراسر کیهان شتاب می‌گیرد که توسط نیروی مرموز به نام انرژی تاریک هدایت می‌شود – اما شاید در لبه‌های سیاهچاله‌ها نباشد.

این ایده به جای اینکه بگوییم انرژی تاریک در مرزهای سیاهچاله ها عمل نمی کند، نشان می دهد که این نیروی اسرارآمیز حاکم بر جهان تنها انرژی موجود در افق رویداد است.

این مفهوم ممکن است به حل یک مشکل دیرینه در کیهان‌شناسی به نام «تنش هابل» کمک کند، که از تخمین‌های کاملاً متفاوتی از نرخ انبساط جهان ناشی می‌شود که به ثابت هابل یا پارامتر هابل معروف است.

شاید برای فیزیکدانان غیرنظری مهم‌تر، این تحقیق به این معنی است که سیاه‌چاله‌ها، مرزهای بیرونی آن‌ها، یا «افق رویداد» و انبساط انرژی تاریک فضا، همگی می‌توانند عجیب‌تر و سخت‌تر از آن چیزی باشند که ما می‌ترسیدیم.

این ایده حیرت انگیز جدید توسط فیزیکدان نظری نیکودم پوپلاوسکی از دانشگاه نیوهیون در کانکتیکات پیشنهاد شده است. او گفت، اگرچه فضای اطراف سیاهچاله ها در حال گسترش است، البته متفاوت از بقیه کیهان، خود سیاهچاله ها به این دلیل رشد نمی کنند.

پوپلاوسکی به Space.com گفت: «نرخ انبساط جهان در افق رویداد هر سیاه‌چاله ثابت است، با این حال اندازه افق رویداد، و بنابراین خود سیاهچاله، با انبساط جهان افزایش نمی‌یابد». ممکن است کسی بپرسد، چگونه ممکن است که افق رویداد رشد نکند، اما فضا در آنجا رشد کند؟ به این دلیل است که گسترش فضا باعث می شود نقاط بسیار نزدیک به افق رویداد از آن دور شوند.

پوپلاوسکی اضافه کرد که برخی از مردم پیشنهاد کرده‌اند که سیاهچاله‌ها ممکن است به دلیل انبساط کیهان در حال رشد و افزایش جرم خود بدون تجمع ماده باشند. او استدلال کرد که نتایج او نشان می‌دهد که این توضیح در مورد رشد سیاهچاله‌ها، به ویژه در مورد سیاه‌چاله‌های کلان پرجرم که در کیهان اولیه به‌طور باورنکردنی سریع رشد می‌کردند، صادق نیست.

تقریبا سیاهچاله ها

محققان برای اولین بار سیاهچاله ها را به عنوان راه حل هایی برای نظریه گرانش انیشتین در سال ۱۹۱۵، که نسبیت عام نامیده می شود، درک کردند، که مهم ترین آن توسط فیزیکدان و ستاره شناس آلمانی کارل شوارتزشیلد ارائه شد.

نسبیت عام بیان می کند که اجسام با جرم باعث می شوند تا بافت فضا و زمان، که به عنوان یک موجود واحد به نام فضا-زمان متحد شده اند، «پیچ شوند». هر چه جرم بزرگتر باشد، تاب بیشتری در فضا-زمان ایجاد می کند. همانطور که گرانش از این تاب برداشتن نشات می‌گیرد، این توضیح می‌دهد که چرا جرم یک جسم بیشتر است، تأثیر گرانشی آن بر محیط اطرافش شدیدتر است.

سیاهچاله ها از ایده مقدار نامتناهی جرم متمرکز در فضای بی نهایت کوچک که به عنوان تکینگی شناخته می شود، متولد می شوند. طبق معادلات نسبیت عام، این تکینگی، که در آن تمام فیزیک شکسته می‌شود، توسط یک سطح غیرفیزیکی محدود می‌شود که حتی نور نمی‌تواند به اندازه کافی سریع حرکت کند تا از آن فرار کند. این افق رویداد است و وجود آن به این معنی است که هیچ چیز از سیاهچاله نمی گریزد. بنابراین، ما هرگز نمی‌توانیم امیدوار باشیم که چه چیزی درون یک سیاه‌چاله نهفته است.

به دلیل پیچیدگی شدید زمان در اطراف یک سیاهچاله، ما هرگز نمی‌توانیم امیدوار باشیم که خود افق رویداد را ببینیم.

پوپلاوسکی گفت: «افق رویداد پس از سپری شدن زمان بی نهایت روی زمین شکل می گیرد. آنچه ما مشاهده می‌کنیم سیاه‌چاله‌ها نیست، بلکه «تقریباً سیاه‌چاله‌ها» هستند.»

بنابراین، هنگامی که یک ستاره در پایان عمر خود فرو می ریزد تا یک سیاهچاله به دنیا بیاید، آنچه ما می بینیم سیاهچاله نیست، بلکه آخرین لحظه آن دگرگونی است. پوپلاوسکی فکر می‌کند که انگار این مفهوم قبلاً به اندازه کافی عجیب نبوده است، افق رویداد حتی عجیب‌تر است: انرژی تاریک در آنجا وجود دارد، اما به نظر می‌رسد فضای اطراف افق رویداد فقط آن را نادیده می‌گیرد.

پوپلاوسکی گفت: «نرخ انبساط جهان، پارامتر هابل، ثابت است و در افق رویداد سیاهچاله‌ها می‌تواند مثبت یا صفر باشد». ‘این باید باشد، زیرا اگر سرعت انبساط جهان در افق رویداد ثابت نبود، فشار و انحنای فضا-زمان بی نهایت خواهد بود. این قابل اندازه گیری نیست، بنابراین غیرفیزیکی خواهد بود.’

همانطور که نظریه Poplawski ذهن خم کننده (و خم کننده فضا) است، در واقع می تواند مشکلی را حل کند که برای دهه ها دانشمندان را نگران کرده است.

هابل دیگر مشکلی ندارد

در اواخر دهه ۱۹۹۰، دو تیم جداگانه از ستاره شناسان از اندازه گیری فاصله تا ابرنواخترهای نوع Ia استفاده کردند تا مشخص کنند که نه تنها جهان در حال انبساط است، همانطور که شواهد جمع آوری شده توسط ادوین هابل در اوایل قرن بیستم نشان داد، بلکه انبساط نیز در حال شتاب گرفتن است.

اصطلاح ‘انرژی تاریک’ در آن زمان ابداع شد تا هر جنبه ای از جهان را که باعث آن شتاب می شود را توصیف کند. از آن زمان، دانشمندان مشخص کردند که در عصر کنونی کیهانی که ما در آن زندگی می کنیم، انرژی تاریک بر ماده تاریک و ماده روزمره تسلط دارد و حدود ۶۸ درصد از انرژی و ماده در کیهان را تشکیل می دهد.

در حال حاضر، ساده ترین توضیح برای انرژی تاریک، «ثابت کیهانی» است، که اندازه گیری چگالی انرژی خلاء است. با این حال، همانطور که احتمالا اکنون متوجه شده اید، هیچ چیز در کیهان شناسی واقعا ساده نیست.

وقتی مقدار ثابت کیهانی از نظریه میدان کوانتومی محاسبه می‌شود، وقتی به ابرنواخترها و ستارگان دوردست نوع Ia نگاه می‌کنیم که در روشنایی متناوب به نام متغیرهای Cephid، که هر دو به عنوان «شمع‌های استاندارد» شناخته می‌شوند، بیشتر از آن چیزی است که از کاربرد آنها در اندازه گیری فواصل کیهانی به دست می‌آید.

بر اساس برخی برآوردها، تفاوت بین این دو مقدار به ۱۲۱ مرتبه بزرگی است – یعنی ۱۰ و به دنبال آن ۱۲۰ صفر . جای تعجب نیست که برخی از فیزیکدانان ثابت کیهانی را ‘بدترین پیش بینی در تاریخ فیزیک’ می نامند.

این مشکل که کشش هابل نامیده می‌شود، با بهبود نظریه میدان کوانتومی و کیهان‌شناسی و قوی‌تر شدن ستاره‌شناسی بدتر شده است. به طور شگفت انگیزی، ارزش ها همچنان به واگرایی ادامه داده اند.

تنها راهی که هر دو تخمین پارامتر هابل می تواند درست باشد این است که سرعت انبساط کیهان به طور یکنواخت در سراسر کیهان پیش نرود و برخی از مناطق با سرعت بیشتری نسبت به سایرین منبسط شوند.

یک ایده این است که کهکشان ما، کهکشان راه شیری، در یک ‘حباب’ کم چگال کیهان قرار دارد – اگر بخواهید یک ‘حباب هابل’ – که بر اندازه‌گیری‌های فاصله محلی تأثیر می‌گذارد و باعث می‌شود آنها مقدار پارامتر هابل پایینی را ارائه دهند. از سوی دیگر، نظریه میدان کوانتومی توسط جهان محلی محدود نمی‌شود و کل کیهان را در نظر می‌گیرد، بنابراین مقدار بالایی را ارائه می‌کند که در تمام فضا میانگین می‌شود.

اکنون، فرضیه پوپلاوسکی راه دیگری را ارائه می دهد که در آن مناطق خاصی از کیهان می توانند با سرعت های متفاوتی شتاب بگیرند.

او توضیح داد: سرعت انبساط در تمام افق‌های رویداد یکسان است، اما در سایر بخش‌های کیهان به ماده و انحنای فضایی آن‌جا بستگی دارد، بنابراین متفاوت است. بنابراین، بخش‌های مختلف جهان سرعت‌های انبساط متفاوتی دارند. این تنش مشاهده‌شده هابل را توضیح می‌دهد.

آیا می‌توان نظریه پوپلاوسکی مبنی بر انبساط جهانی که با سرعت ثابت در افق رویداد حرکت می‌کند، به‌صورت رصدی با نجوم تأیید شد؟

متأسفانه، او فکر می کند که مشکوک است. شمع های استاندارد مانند ابرنواخترهای نوع Ia و ستاره های متغیر Cephid در لبه افق رویداد وجود ندارند. این بدان معناست که روش های نجومی تعیین پارامتر هابل در این مورد تقریباً بی فایده است.

علاوه بر این، کل آن چیز تاب بر زمان و این واقعیت وجود دارد که نور نمی تواند از سیاهچاله بگریزد. تنها راه اندازه گیری پارامتر هابل در اینجا ممکن است سفر یک طرفه به داخل سیاهچاله باشد.

پوپلاوسکی گفت: به بیان دقیق، نمی‌توانیم پارامتر هابل را در افق رویداد اندازه‌گیری کنیم، زیرا همانطور که سیاه‌چاله را می‌بینیم، افق هنوز شکل نگرفته است. با این حال، ناظری که در یک سیاه‌چاله سقوط می‌کند، در مدت زمان محدودی از افق رویداد عبور می‌کند و از نظر تئوری می‌تواند پارامتر هابل را هنگام عبور از آن اندازه‌گیری کند.

با این حال، آنها نمی توانند این اطلاعات را به زمین ارسال کنند، زیرا هیچ چیز نمی تواند از افق رویداد به فضا فرار کند.

بنابراین، پوپلاوسکی معتقد است، تا زمانی که روشی انقلابی برای اندازه‌گیری پارامتر هابل پیش نیاید، اسرار سیاه‌چاله‌ها در هاله‌ای از رمز و راز باقی خواهند ماند.

تحقیقات Poplawski در یک مقاله از پیش بررسی شده در وب سایت arXiv نشان داده شده است.