در مقاله‌ای تازه از جولیا مونیکا کولن، استفانو پروفومو و نولان اسمیت از دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز (UCSC)، به بررسی اندازه و فراوانی یکی از جالب‌ترین نامزدهای ماده تاریک پرداخته شده است: سیاه‌چاله‌های آغازین (Primordial Black Holes یا PBHs).
در مطالعات مربوط به کیهان اولیه، شکل‌گیری نخستین ستارگان، نقطه عطفی محسوب می‌شود که هم به‌معنای واقعی و هم نمادین، نوری بر تاریخ کیهان افکنده است. اخترفیزیک‌دانان این ستارگان را «ستارگان جمعیت سوم» (Population III) می‌نامند. در نام‌گذاری عجیب و جالب اخترشناسی، این ستارگان «سوم» نامیده می‌شوند، چون پس از کشف ستارگان جوان و فلزدار مانند خورشید (جمعیت I) و ستارگان پیر و فقیر از فلز (جمعیت II)، نوبت به ستارگان ابتدایی و کاملاً بدون فلز رسید. ستارگان جمعیت III فاقد هرگونه عنصر سنگین‌اند، چون در آن زمان، فرآیند هم‌جوشی که عناصر سنگین‌تر (هر چیزی غیر از هیدروژن) را تولید می‌کند، هنوز آغاز نشده بود.
از آنجا که تاکنون هیچ‌گاه ستارگان جمعیت سوم به‌طور مستقیم مشاهده نشده‌اند، دانش ما درباره آن‌ها بسیار اندک است. با این حال، می‌توانیم آن‌ها و محیط‌شان را شبیه‌سازی کنیم تا درک بهتری از این ستارگان و جهانی که در آن زاده شدند، به دست آوریم. مقاله پژوهشگران UCSC نیز دقیقاً چنین تلاشی را دنبال می‌کند. باور بر این است که ستارگان اولیه در مناطقی به نام «مینی‌هاله» شکل گرفتند که عمدتاً از ماده تاریک تشکیل شده بودند، و اکنون دانشمندان در تلاش‌اند بفهمند این مینی‌هاله‌ها دقیقاً از چه ساخته شده‌اند.
یکی از نامزدهای اصلی ماده تاریک، سیاه‌چاله‌های آغازین‌اند که ممکن است یا خود بخش‌هایی از این مینی‌هاله‌ها را تشکیل داده باشند، یا با آن‌ها برهم‌کنش داشته باشند. درک تأثیر این تکینگی‌ها (سیاه‌چاله‌ها) بر شکل‌گیری اولین ستارگان می‌تواند سرنخی مهم در تشخیص این باشد که آیا آن‌ها واقعاً گزینه‌ای مناسب برای ماده تاریک هستند یا نه؛ ماده‌ای که همچنان اثرات گرانشی‌اش را در تحول کیهان امروزی می‌بینیم.
با این حال، شبیه‌سازی چنین شرایطی بسیار دشوار است. پژوهشگران UCSC برای این منظور از نرم‌افزاری به نام GIZMO بهره گرفتند که دو مؤلفه اصلی کیهان اولیه را شبیه‌سازی می‌کند: دینامیک سیالات و گرانش چندجسمی (N-body). بخش دینامیک سیالات تلاش می‌کند تأثیر غبار و گاز در فرایند تولد ستارگان اولیه را بازسازی کند، و بخش چندجسمی، برهم‌کنش‌های گرانشی بین اجرام بزرگ در حال حرکت را تحلیل می‌کند.
این شبیه‌سازی‌ها از لحظات بسیار اولیه‌ی کیهان آغاز شده و بر پایه‌ی مدل استاندارد کیهان‌شناسی — یعنی مدل لامبدا-ماده تاریک سرد (ΛCDM) — اجرا شده‌اند. همچنین کتابخانه‌ای به نام GRACKLE برای شبیه‌سازی فرآیند سرد شدن گاز، که نقش مهمی در تشکیل ستارگان دارد، استفاده شده است.
در پایان این شبیه‌سازی‌ها، پژوهشگران به دو نقش بسیار متفاوت برای سیاه‌چاله‌های آغازین رسیدند:
- آن‌ها می‌توانند به‌عنوان «بذر» عمل کرده و باعث شوند ستارگان بسیار زودتر از آنچه انتظار می‌رفت، شکل بگیرند.
- یا بالعکس، به‌عنوان «بازدارنده» عمل کنند و تولد ستارگان را به‌تأخیر بیندازند.
اگر سیاه‌چاله‌های آغازین در کیهان اولیه از نوع سنگین (مثلاً ۱۰۰ برابر جرم خورشید یا بیشتر) بوده باشند، به‌طور پیوسته موجب تسریع در شکل‌گیری ستارگان می‌شوند. آن‌ها این کار را با تقویت نوسانات چگالی انجام می‌دهند که در نتیجه آن، مینی‌هاله‌های بیشتری برای شکل‌گیری ستاره‌ها فراهم می‌شود. اگر چنین سیاه‌چاله‌هایی واقعاً فراوان بوده‌اند، ستارگان نخستین باید بسیار زودتر از آنچه مدل‌های فعلی پیش‌بینی می‌کنند، شکل گرفته باشند؛ پیش‌بینی قابل‌آزمایشی که با داده‌های آینده درباره ستارگان جمعیت سوم می‌توان آن را رد یا تأیید کرد.
اما سیاه‌چاله‌های سبک‌تر — با جرمی حدود ۱۰ برابر خورشید — نقش پیچیده‌تری دارند. اگر تعدادشان کم باشد، باعث داغ شدن گاز از طریق پدیده‌ای به نام «گرمایش کشندی» می‌شوند، که مانع از سرد شدن و رمبش گاز به ستاره می‌شود، و در نتیجه روند تولد ستارگان را کند می‌کنند.
از سوی دیگر، اگر سیاه‌چاله‌های کوچک در اوایل کیهان فراوان بوده باشند، مجموع گرانش آن‌ها (اثر پواسون) باعث می‌شود باز هم ستاره‌ها سریع‌تر شکل بگیرند. در این حالت، آن‌ها همچون سیاه‌چاله‌های سنگین، مرکز تجمع گاز و غبار شده و روند ستاره‌زایی را تسهیل می‌کنند.
نکته جذاب درباره این شبیه‌سازی‌ها این است که راه‌های متفاوتی برای تفسیر داده‌هایی که در آینده از ستارگان اولیه به دست می‌آید، ارائه می‌دهند. اگر مشخص شود ستارگان اولیه خیلی زود شکل گرفته‌اند، ممکن است دلیلش یا وجود سیاه‌چاله‌های سنگین باشد، یا وفور سیاه‌چاله‌های کوچک. اما اگر این ستارگان با تأخیر شکل گرفته باشند، احتمال حضور سیاه‌چاله‌های سبک‌تر بیشتر می‌شود و همین موضوع پیامدهای مهمی برای جست‌وجوی ماده تاریک خواهد داشت.
در نهایت، تا زمانی که داده‌های بیشتری در اختیار نداشته باشیم، پاسخ قطعی نخواهیم داشت. تلسکوپ فضایی جیمز وب در حال حاضر بهترین گزینه ما برای رصد این پدیده‌هاست، به‌شرط آن‌که فرصت کافی برای تمرکز روی چنین مشاهداتی داشته باشد. رصدخانه‌هایی مانند آرایه کیلومتری مربعی (SKA) نیز می‌توانند انقلابی در کیهان‌شناسی خط ۲۱ سانتی‌متری ایجاد کنند؛ کلیدی برای نگاهی ژرف‌تر به گذشته‌ی کیهان، تا زمانی که نخستین ستارگان درخشش خود را آغاز کردند. وقتی آن داده‌ها به‌دست آید، پیش‌بینی‌های این مقاله و ده‌ها مطالعه دیگر سرانجام در آزمون واقعیت قرار خواهند گرفت.
