کشف احتمالی ماده تاریک در امواج گرانشی سال ۲۰۱۹: تحولی در فیزیک کیهان‌شناسی

فرضیه جدید: سیاه‌چاله‌ها و ردپای ماده تاریک

گروهی از فیزیکدانان برجسته از کشورهای آمریکا، بریتانیا و اروپا فرضیه‌ای جسورانه را مطرح کرده‌اند: اگر دو سیاه‌چاله در فضایی که توسط ابری از ماده تاریک احاطه شده است، با یکدیگر برخورد کنند، امواج گرانشی حاصل از این انفجار عظیم کیهانی، حامل اثرات و نشانه‌هایی از آن محیط خاص خواهند بود. این ایده، راهی نوین برای جستجوی ماده اسرارآمیز تاریک ارائه می‌دهد.

پس از بررسی ده‌ها سیگنال دریافتی، دانشمندان یک مورد خاص را کشف کردند که به طرز شگفت‌انگیزی با الگوهای پیش‌بینی‌شده در این فرضیه مطابقت دارد. اگرچه این یافته هنوز به معنای تأیید قطعی شناسایی ماده تاریک نیست، اما محققان معتقدند که این دستاورد می‌تواند راهکاری بی‌سابقه برای مطالعه همزمان امواج گرانشی و ماهیت مرموز ماده تاریک پیش روی جامعه علمی قرار دهد.

«استفاده از سیاه‌چاله‌ها برای ردیابی ماده تاریک ایده‌ای فوق‌العاده است؛ چرا که امکان بررسی ماده تاریک را در ابعادی بسیار کوچک‌تر از آنچه تا به امروز تصور می‌شد، فراهم می‌کند.»

این جمله از «رودریگو ویسنته»، فیزیکدان دانشگاه آمستردام، اهمیت این رویکرد جدید را به خوبی نشان می‌دهد.

تاریخچه نظری و کشف امواج گرانشی

ریشه‌های نظری این موضوع به سال ۱۹۱۶ بازمی‌گردد، زمانی که «آلبرت اینشتین» نظریه نسبیت عام خود را به جهان معرفی کرد. در این نظریه، گرانش نتیجه انحنای فضازمان توصیف شده است. با اینکه بسیاری از پیش‌بینی‌های این نظریه در طی زمان به اثبات رسید، اما اثبات وجود امواج گرانشی حدود یک قرن به درازا کشید.

اینشتین معتقد بود اجرام بسیار سنگین مانند ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها هنگام ادغام، موج‌هایی را با سرعت نور در کیهان منتشر می‌کنند. سرانجام در سال ۲۰۱۵ این امواج برای نخستین‌بار به صورت مستقیم مشاهده شدند و از آن زمان تاکنون صدها مورد مشابه ثبت شده است. هر یک از این سیگنال‌ها حاوی اطلاعات دقیقی از جرم اجسام و ماهیت آن‌ها هستند. این رویدادها معمولاً شامل برخورد سیاه‌چاله‌ها با ابعاد متفاوت، ستاره‌های نوترونی و یا بلعیده‌شدن بقایای ستاره‌ای توسط سیاه‌چاله‌ها هستند، هرچند برخی سیگنال‌ها ممکن است به وجود اشیای ناشناخته‌تری مثل کرم‌چاله‌ها و جهان‌های موازی اشاره داشته باشند.

ماده تاریک و برهم‌کنش آن با سیاه‌چاله‌ها

محققان در پژوهش اخیر خود به دنبال پاسخ این سؤال بودند که آیا امواج گرانشی می‌توانند کلید حل معمای ماده تاریک باشند؟ ماده تاریک عنصری ناشناخته است که بخش بزرگی از جهان را شکل داده و فقط از طریق نیروی گرانش با ماده معمولی برهم‌کنش دارد. در یکی از مدل‌های علمی، ماده تاریک از ذرات فوق سبک تشکیل شده است که در شرایط محیطی بسیار سخت، مانند مجاورت با گرانش خردکننده سیاه‌چاله‌ها، مانند یک موج رفتار می‌کنند.

از آنجا که سیاه‌چاله‌های چرخان باعث کشش فضازمان به دور خود می‌شوند، محققان فرض کردند که این چرخش بر ابرهای ماده تاریک پیرامون آن‌ها نیز اثر می‌گذارد. طبق این فرضیه، وجود این ابرها باعث تغییر در نحوه برخورد سیاه‌چاله‌های دوتایی می‌شود و ردپای مشخصی را در امواج گرانشی ساطع‌شده باقی می‌گذارد.

نتایج شبیه‌سازی و سیگنال GW190728

تیم پژوهشی برای آزمایش این ایده، تفاوت سیگنال‌های دریافتی از محیط‌های دارای ماده تاریک و محیط‌های خلاء را شبیه‌سازی کردند. آن‌ها مدل خود را بر روی ۲۸ سیگنال ثبت‌شده توسط شبکه جهانی رصدخانه‌ها اعمال کردند. نتایج نشان داد که ۲۷ سیگنال دقیقاً مشابه برخورد در محیط خلاء بوده‌اند، اما رویدادی که در ژوئیه ۲۰۱۹ با کد GW190728 ثبت شده، رفتاری کاملاً سازگار با برخورد دو سیاه چاله در میان یک ابر غلیظ از ماده تاریک را نشان می‌دهد.

با وجود این نتیجه شگفت‌انگیز، دانشمندان همچنان با احتیاط درباره یافته‌های خود صحبت می‌کنند. «جوسو آورکوئتا»، از MIT تأکید کرده است توان آماری این یافته هنوز برای اعلام قطعی کشف ماده تاریک کافی نیست و گروه‌های مستقل باید آن را بازبینی کنند. او می‌گوید بدون داشتن مدل‌های دقیق شکل موج، ممکن است بسیاری از این رویدادها را به اشتباه به عنوان برخورد در خلاء طبقه‌بندی کنیم در‌حالی‌که در محیطی از ماده تاریک رخ داده‌اند.

ابهامات و آینده پژوهش

در نهایت، هنوز ابهامات زیادی درباره ماهیت ماده تاریک وجود دارد. ممکن است این ماده اصلاً به صورت ابر شکل نگیرد و ماهیتی متفاوت مانند ذرات WIMPy و MACHO داشته باشد. حتی این احتمال وجود دارد که ماده تاریک اصلاً وجود خارجی نداشته باشد و باید تمام قوانین گرانش را بازنگری کنیم. یافته‌های این پژوهش در ژورنال Physical Review Letters منتشر شده است.