آیا ماده تاریک به سیاهچاله ها کمک کرد تا به اندازه هیولا در کیهان نوزاد رشد کنند؟

یافتن سیاهچاله‌های بسیار پرجرم در زمانی که کیهان کمتر از ۱ میلیارد سال سن داشت، مانند یافتن استخوان‌های پستانداران در میان استخوان‌های دایناسور در یک سنگ رسوبی ژوراسیک است.

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که فروپاشی ماده تاریک می‌تواند به سیاهچاله‌ها کمک کند تا نسبتاً در اوایل جهان نوزادی به اندازه‌های عظیم هیولا برسند. اگر درست باشد، این می تواند به توضیح برخی از گیج کننده ترین مشاهدات کیهان توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب کمک کند.

از زمانی که تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در تابستان ۱۴۰۱ شروع به ارسال داده ها به زمین کرد، کشف سیاهچاله های بسیار پرجرم با جرم میلیون ها یا حتی میلیاردها برابر جرم خورشید در اوایل ۵۰۰ میلیون سال پس از زندگی انجام شد. از کیهان ۱۳.۸ میلیارد ساله دانشمندان را گیج کرده است. به این دلیل که حداقل ۱ میلیارد سال طول می کشد تا سیاهچاله ها به ‘وضعیت فوق العاده’ برسند.

یک فرضیه برای توضیح اینکه چگونه سیاهچاله های اولیه شروع به رشد می کنند نشان می دهد که آنها مستقیماً از ابرهای عظیم گاز و غبار متولد شده اند. با این حال، این تحقیق جدید نشان می‌دهد که ماده تاریک، مرموزترین ماده جهان، کاتالیزوری برای این فرآیند بوده است.

الکساندر کوسنکو، عضو تیم تحقیقاتی، گفت: “تشکیل سیاهچاله‌های کلان پرجرم یک راز است. یافتن سیاهچاله‌های پرجرم در زمانی که کیهان کمتر از ۱ میلیارد سال سن داشت، مانند یافتن استخوان‌های پستانداران در میان استخوان‌های دایناسور در یک سنگ رسوبی ژوراسیک است.” این اخترفیزیکدان از دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) افزود که این مشاهدات نیاز به توضیح بسیار متفاوتی از تشکیل سیاهچاله‌های عظیم دارند.

ما متوجه شدیم که تشعشعات ناشی از فروپاشی ماده تاریک می‌تواند باعث شود که برخی از ابرهای گازی بزرگ به سیاهچاله‌های بزرگ فرو بریزند و معمای منشأ آنها حل شود.

حل یک معما با معمای دیگر

ماده تاریک در حال حاضر یکی از بزرگترین اسرار برجسته در فیزیک در نظر گرفته می شود، زیرا علیرغم اینکه حدود ۸۵ درصد از ماده در جهان را تشکیل می دهد، اما دانشمندان نمی دانند چیست.

محققان می‌دانند که ماده تاریک نمی‌تواند از همان «مواد» ساخته شود که اتم‌هایی را تشکیل می‌دهد که ماده معمولی ستارگان، سیارات، قمرها، سیارک‌ها و بدن ما را تشکیل می‌دهند. این به این دلیل است که به نظر نمی رسد ماده تاریک با تابش الکترومغناطیسی (نور) برهمکنش داشته باشد، در حالی که الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها در واقع این کار را انجام می دهند.

این فقدان برهمکنش با نور نیز به طرز ناامیدکننده‌ای باعث می‌شود که ماده تاریک به طور مؤثری برای ما نامرئی باشد، زیرا دانشمندان تنها می‌توانند حضور آن را از طریق برهمکنش آن با گرانش و تأثیرات این برهمکنش بر ماده معمولی و نور استنباط کنند.

ماده تاریک ممکن است با نور برهمکنش نداشته باشد، اما یکی از ویژگی‌های پیشنهادی این ماده در برخی مدل‌ها مربوط به فروپاشی ذرات ناپایدارتر آن است – که فوتون‌ها، ذرات بنیادی نور را آزاد می‌کنند. این تیم فکر می‌کند که این تابش می‌تواند قطعه گمشده پازل رشد سیاه‌چاله‌های عظیم باشد.

کوسنکو توضیح داد: «گرانش می‌تواند ابری از گاز را فشرده کند و آن را وادار به فروپاشی کند، بنابراین به نظر می‌رسد که یک ابر با جرم میلیون‌شمسی می‌تواند منجر به تشکیل سیاه‌چاله‌ای با جرم میلیون‌شمسی شود.» در واقعیت، این اتفاق نمی‌افتد، زیرا گرانش در تمام مقیاس‌های فاصله‌ای کار می‌کند، و باعث می‌شود که قسمت‌های کوچکی از یک ابر بزرگ قبل از اینکه کل ابر فرصتی برای فروپاشی پیدا کند، ابتدا فرو می‌ریزد. بنابراین، به‌جای یک سیاه‌چاله غول‌پیکر، با دسته ای از ابرهای گازی کوچکتر در نهایت به پایان می‌رسیم.’

او افزود که اگر چیزی برای مقابله با عمل گرانش در فواصل کوتاه وجود داشته باشد، بدون اینکه بر فروپاشی در فواصل طولانی تأثیر بگذارد، این می‌تواند باعث ‘فروپاشی مستقیم’ حجم عظیمی از گاز به یک سیاه‌چاله بزرگ شود.و چیزی که می تواند با گرانش مقابله کند فشار است.

کوسنکو ادامه داد: «اگر ابر گازی برای مدت طولانی داغ بماند، نمی‌تواند به هاله‌های کوچک‌تر تقسیم شود، زیرا گاز داغ فشار بیشتری دارد و به اندازه‌ای قوی است که با کشش گرانش مقابله کند». این تا زمانی درست است که دما به اندازه کافی بالا باشد. با این حال، اگر گاز سرد شود، فشار کاهش می‌یابد و گرانش می‌تواند در بسیاری از مناطق کوچک غالب شود، که سیاه چاله قبل از اینکه گرانش فرصتی برای کشیدن کل ابر به یک واحد داشته باشد، به صورت اجسام متراکم فرو می‌روند.

این سرد شدن به این دلیل رخ می دهد که اگرچه اکثریت قریب به اتفاق گاز در جهان اولیه از اتم های هیدروژن تشکیل شده بود. ستاره ها هنوز فرصتی برای جعل عناصر سنگین تر و پراکنده کردن آنها با انفجارهای ابرنواختری نداشتند. بیشتر این اتم‌های هیدروژن بی‌پایان مانند توپ‌های بیلیارد از یکدیگر منعکس می‌شوند، مگر اینکه به مولکولی با سطوح انرژی چرخشی متصل شوند که می‌تواند در اثر برخورد اتمی برانگیخته شود.

سپس مولکول برانگیخته می‌تواند انرژی را بتاباند و به حالت اولیه خود بازگردد و برای برهمکنش دیگری با اتم هیدروژن آماده شود. مولکول‌های هیدروژن با جذب انرژی حرارتی و تابش آن به عوامل خنک‌کننده تبدیل می‌شوند. بنابراین، هرچه هیدروژن مولکولی‌تر باشد، کوسنکو افزود: خنک شدن سریعتر است. ذرات ماده تاریک می توانند تجزیه شوند و تشعشعاتی تولید کنند که می تواند مولکول های هیدروژن را تجزیه کند.

بنابراین، تشعشعات حاصل از ماده تاریک در حال پوسیدگی می‌تواند به ابرهای عظیم گازی در جهان اولیه فرصت فروپاشی و تولد اولین سیاه‌چاله‌های پرجرم را بدهد.

کوسنکو افزود: «اگر این اتفاق بیفتد، فروپاشی مستقیم گاز داغ به سیاهچاله‌های پرجرم امکان‌پذیر می‌شود».

آیا این موضوع باید ثابت شود، اگر چیزی در مورد خود ماده تاریک به ما می گوید؟

کوسنکو گفت: ‘دو احتمال وجود دارد: یا ذرات ماده تاریک می توانند بسیار آهسته تجزیه شوند، یا ماده تاریک ممکن است حاوی یک جزء کوچک باشد که به سرعت تجزیه می شود، در حالی که بقیه ماده تاریک پایدار است.’ ‘در هر صورت، خواص تشعشع مورد نیاز برای ایجاد سیاهچاله ها جرم ذرات ماده تاریک در حال پوسیدگی را به ما می گوید. این می تواند به کشف یا رد این سناریو کمک کند.