ماده تاریک معمای وجود سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ را حل می‌کند

بر اساس مدل‌سازی ریاضی جدید، معمایی که به‌عنوان مشکل پارسک نهایی شناخته می‌شود، می‌تواند با وجود ذرات ماده تاریک خود تعاملی که به صورت خوشه‌ای در اطراف سیاه‌چاله‌ها باقی می‌مانند، حل شود و به آنها اجازه می‌دهد از فاصله نهایی بین آنها عبور کنند.

این یافته نشان می‌دهد که ماده مرموزی که به کیهان گرانش اضافی می‌دهد، باید قادر به تعامل با خود باشد، زیرا مشکل مذکور نمی‌تواند با مدل‌های ماده تاریک غیرتعامل‌پذیر حل شود.

فیزیکدان گونسالو آلونزو-آلوارز در دانشگاه تورنتو و دانشگاه مک‌گیل می‌گوید:”ما نشان می‌دهیم که شامل کردن اثر نادیده‌گرفته شده ماده تاریک می‌تواند به سیاه‌چاله‌های فوق‌سنگین کمک کند تا این آخرین پارسک جداکننده را پشت سر بگذارند و به هم بپیوندند، محاسبات ما توضیح می‌دهد که چگونه این می‌تواند اتفاق بیفتد، بر خلاف آنچه قبلاً تصور می‌شد.”

سیاه‌چاله‌های فوق‌سنگین که در کانون کهکشان‌ها قرار دارند، معماهای بزرگ و پیچیده‌ای را برای ستاره‌شناسان به وجود می‌آورند. ما می‌دانیم که سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر از هسته‌های فروریخته ستاره‌های عظیم که سوخت همجوشی‌شان به اتمام رسیده و به دنیای کیهانی پایان داده‌اند، شکل می‌گیرند. این جرم‌های کوچکتر می‌توانند به جرم‌های بزرگ‌تر ادغام شوند؛ بزرگترین ادغام سیاه‌چاله‌ای که تا به امروز شناسایی شده، شیئی با جرمی معادل ۱۴۲ خورشید تولید کرده است.

سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ، میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشید هستند. منطقی است که فرض کنیم آن‌ها می‌توانند با ادغام با سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر دیگر به این اندازه بزرگ شوند، ما حتی سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگی را مشاهده کرده‌ایم که پس از ادغام کهکشان‌هایشان، در حال چرخش به دور یکدیگر هستند و به نظر می‌رسد که در مسیر برخورد نهایی قرار دارند.

اما آنچه واضح نیست، چگونگی برخورد این سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ است. طبق مدل‌ها، هنگامی که این سیاه‌چاله‌ها به دور یکدیگر می‌چرخند، انرژی مداری خود را به ستاره‌ها و گازهای اطرافشان منتقل می‌کنند و باعث می‌شوند که مدارشان کوچکتر و کوچکتر شود. هر چه فاصله آن‌ها کاهش می‌یابد، مقدار موادی که می‌تواند انرژی آن‌ها را برباید نیز کاهش می‌یابد.

تا زمانی که آنها تقریباً یک پارسک از هم فاصله داشته باشند – ۳.۲ سال نوری یا بیشتر – همسایگی کهکشانی آنها دیگر نمی تواند از فروپاشی مداری بیشتر پشتیبانی کند، بنابراین مدار سیاهچاله ها برای مدت زمانی بسیار طولانی تثبیت می شود. چه مدت؟ خوب، حداقل برای مدت طولانی‌تر از زمان جهان وجود داشته است.

یکی از راه‌های تعیین اینکه آیا سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ در گذشته واقعاً با هم ادغام شده‌اند یا نه، شامل امواج گرانشی است؛ امواج وسیع در بافت فضا-زمان که توسط جرم‌های بزرگ هنگام تغییر سرعت ایجاد می‌شوند. اگر سیاه‌چاله‌های فوق‌العاده بزرگ در سراسر جهان در حال برخورد باشند، باید یک پس‌زمینه‌ی «زنگ» امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین وجود داشته باشد که به طور مداوم در سرتاسر جهان در حال نوسان باشد.

ما بالاخره یک زمزمه موج گرانشی پس زمینه را شناسایی کردیم. این نشان می دهد که ما بخش مهمی از داستان برخورد سیاهچاله های عظیم را از دست داده ایم.

این مشکل پارسک نهایی است.

ماده تاریک ممکن است چیزی باشد که ما از دست می دهیم. با این حال، طبق مدل‌های قبلی ادغام سیاه‌چاله‌های پرجرم، برهم‌کنش گرانشی آن‌ها باید ذرات ماده تاریک را از منظومه دور کند که در غیر این صورت می‌توانند آخرین بیت از انرژی مداری را جذب کنند.

حال، مشکل ماده تاریک این است که ما نمی دانیم چیست. فراتر از کشش گرانشی خود با ماده معمولی کیهان برهم کنش ندارد و کاوش آن را بسیار دشوار می کند. ما واقعاً آن را ماده تاریک به عنوان یک اصطلاح نگه‌دارنده می‌نامیم و دانشمندان در تلاش هستند تا با مطالعه رفتار کیهان به روش‌های دیگر به خواص آن پی ببرند.

آلونسو آلوارز و همکارانش تعجب کردند که آیا ما در پرتاب ماده تاریک به عنوان راه حل خیلی عجله داریم، بنابراین مدل های ریاضی برای آزمایش آن طراحی کردند. و آنها دریافتند که ماده تاریکی که با خودش برهمکنش می‌کند می‌تواند در مجاورت سیاهچاله‌های کلان پرجرم ادغام شود – به سیاهچاله‌ها چیزی می‌دهد تا آخرین انرژی مداری خود را به آن منتقل کنند تا در نهایت بتوانند آن‌ها را در آغوش بگیرند و یک سیاه‌چاله بسیار بزرگ را تشکیل دهند.

در حال حاضر، نتایج نسبتاً تئوری هستند، اما پیش‌بینی‌هایی را انجام می‌دهند که قابل مشاهده است. برای مثال، یافته‌ها نرم شدن زمزمه موج گرانشی را پیش‌بینی می‌کنند که نکاتی از آن قبلاً دیده شده است. و همچنین می‌توان از نتایج برای درک هاله‌های ماده تاریکی که کهکشان‌ها را در سراسر جهان احاطه کرده است استفاده کرد، زیرا این ذرات باید در مقیاس کهکشانی برهم کنش داشته باشند تا بتوانند مشکل نهایی پارسک را حل کنند.

در نهایت، محققان می گویند که یافته های آنها ابزار جدیدی برای کشف اسرار ماده تاریک است.

آلونسو آلوارز می گوید: کار ما راهی جدید برای کمک به درک ماهیت ذره ای ماده تاریک است. ما متوجه شدیم که تکامل مدارهای سیاهچاله نسبت به میکروفیزیک ماده تاریک بسیار حساس است و این بدان معناست که می‌توانیم از مشاهدات ادغام سیاه‌چاله‌های بزرگ برای درک بهتر این ذرات استفاده کنیم.