به گزارش مجله نجم
دانشمندان کشف کرده‌اند که سیاهچالههای غیرعادی عظیم به نظر می‌رسد در تاج بیرونی پراکنده کهکشان راه شیری وجود ندارند.
این کشف می تواند خبر بدی برای نظریه هایی باشد که مرموزترین شکل “مواد” در جهان، ماده تاریک، از سیاهچاله های اولیه تشکیل شده است که در اولین لحظات پس از انفجار بزرگ شکل گرفته اند.
ماده تاریک گیج کننده است اگرچه عملاً نامرئی است زیرا با نور برهمکنش نمی کند، اما حدود 86 درصد از ماده در جهان شناخته شده را تشکیل می دهد. این بدان معناست که هر 1 گرم “ماده روزانه” که ستاره ها، سیارات، قمرها و انسان ها را تشکیل می دهد، بیش از 6 گرم ماده تاریک دارد.
دانشمندان می توانند وجود ماده تاریک را از برهم کنش آن با گرانش و تأثیر آن بر ماده و نور روزمره استنتاج کنند. با این حال، با وجود این و وجود ماده تاریک در همه جا، دانشمندان هیچ ایده ای ندارند که ممکن است از چه چیزی ساخته شده باشد.
مربوط: اگر انفجار بزرگ سیاهچاله های کوچکی را ایجاد کرد، آنها کجا هستند؟
یافته‌های جدید ماده تاریک از نگاهی به گذشته در 20 سال مشاهدات گروهی از دانشمندان از نظرسنجی آزمایش عدسی گرانشی نوری (OGLE) در رصدخانه نجومی دانشگاه ورشو به دست آمده است.
پرزمک موروز از رصدخانه نجومی دانشگاه ورشو در بیانیه‌ای گفت: «ماهیت ماده تاریک همچنان یک راز است.» به… “از جمله آزمایش های انجام شده با استفاده از برخورد دهنده بزرگ هادرون، ما قادر به یافتن ذرات جدیدی هستیم که ممکن است مسئول ماده تاریک باشند.”
یافته های جدید نه تنها سیاهچاله ها را به عنوان توضیحی برای ماده تاریک مورد تردید قرار می دهد. همچنین این راز را عمیق تر می کند که چرا سیاهچاله های با جرم ستاره ای کشف شده در خارج از کهکشان راه شیری بزرگتر از سیاهچاله های موجود در محدوده کهکشان های ما هستند.
سیاهچاله های اولیه ما گم شده اند!
جستجوی تیم برای یافتن سیاهچالهها در هاله راه شیری به رصدخانه امواج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) و رصدخانه امواج گرانشی خواهرش، Virgo، بازمی‌گردد که به نظر می‌رسد گروهی از سیاهچالههای غیرمعمول با جرم‌های بزرگ ستاره‌ای را کشف کرده‌اند.
تا قبل از اولین کشف امواج گرانشی که توسط LIGO و Virgo در سال 2015 تولید شد، دانشمندان دریافتند که تعداد سیاهچالههای جرم ستاره‌ای در کهکشان ما که از فروپاشی گرانشی ستارگان پرجرم به وجود می‌آیند، بین 5 تا 20 جرم است. . زمان خورشید
مشاهدات امواج گرانشی از ادغام بین سیاهچاله های با جرم ستاره ای، وجود جمعیت دورتر از سیاهچاله ها با جرم بسیار بیشتر، معادل بین 20 تا 100 خورشید را نشان می دهد. مروز خاطرنشان کرد: توضیح اینکه چرا این دو گروه سیاهچاله بسیار متفاوت هستند، یکی از بزرگترین اسرار نجوم مدرن است.
یک توضیح احتمالی برای این تعداد زیاد سیاهچاله ها این است که آنها بقایای دوره بلافاصله پس از انفجار بزرگ هستند که نه از فروپاشی ستارگان پرجرم بلکه از تکه های بسیار متراکم گاز و غبار اولیه تشکیل شده اند.
مروز گفت: «ما می دانیم که جهان اولیه کاملاً همگن نبود – نوسانات کوچک در چگالی باعث پیدایش کهکشان ها و خوشه های کهکشانی امروزی شد. نوسانات چگالی مشابه، اگر از تغییرات چگالی بحرانی تجاوز کنند، ممکن است فرو بریزند و سیاهچاله ها را تشکیل دهند.
استیون هاوکینگ برای اولین بار بیش از پنجاه سال پیش وجود چنین “سیاهچاله های اولیه” را فرض کرد، اما آنها به طرز ناامیدکننده ای گریزان مانده اند. این ممکن است به این دلیل باشد که نمونه های کوچکتر به سرعت نوعی از انرژی حرارتی به نام تشعشعات هاوکینگ را “نشت” می کنند و در نهایت تبخیر می شوند، به این معنی که در جهان 13.8 میلیارد ساله فعلی وجود ندارند. با این حال، این مانع برخی از فیزیکدانان را از طرح سیاهچاله های اولیه به عنوان توضیحی احتمالی برای ماده تاریک باز نمی دارد.
تخمین زده می شود که ماده تاریک بین 90 تا 95 درصد جرم راه شیری را تشکیل می دهد. این بدان معناست که اگر ماده تاریک از سیاهچاله های اولیه تشکیل شده باشد، کهکشان ما باید حاوی بسیاری از این اجرام باستانی باشد. سیاهچاله ها نوری از خود ساطع نمی کنند زیرا در یک سطح محبوس کننده نور به نام افق رویداد محصور هستند. این بدان معناست که ما تنها زمانی می‌توانیم سیاهچالهها را ببینیم که از ماده اطراف خود تغذیه کنند و سایه خود را بیاندازند. اما، درست مانند ماده تاریک، سیاهچاله ها با گرانش تعامل دارند.
به این ترتیب، مروز و همکارانش توانستند به نظریه گرانش، نسبیت عام آلبرت انیشتین در سال 1915 متوسل شوند و اصل آن برای جستجوی سیاهچاله های اولیه در کهکشان راه شیری ارائه شود.
انیشتین دستش را دراز می کند
نظریه نسبیت عام انیشتین می گوید که اجسام با جرم، بافت فضا و زمان را تحریف می کنند و به عنوان یک موجود واحد به نام «فضا-زمان» ترکیب می شوند. گرانش نتیجه این انحنا است و هر چه جرم یک جسم بیشتر باشد، اعوجاج فضا-زمان بیشتر می‌شود و بنابراین «گرانش» بیشتری ایجاد می‌کند.
این انحنا نه تنها به سیارات می‌گوید که چگونه به دور ستاره‌ها بچرخند، و به ستاره‌ها می‌گوید که چگونه در مرکز کهکشان‌های خود مسابقه دهند، بلکه مسیر نوری را که از ستاره‌ها و کهکشان‌های پس‌زمینه می‌آید نیز خم می‌کند. هر چه نور به جسم جرمی که به سمت آن حرکت می کند نزدیکتر باشد، مسیر آن بیشتر “خمیده” می شود.
بنابراین مسیرهای مختلف نور از یک شی پس‌زمینه منفرد را می‌توان خم کرد و مکان ظاهری شی پس‌زمینه را تغییر داد. گاهی اوقات، این افکت می‌تواند باعث شود که یک شی پس‌زمینه در چندین مکان در یک تصویر آسمان ظاهر شود. در موارد دیگر، نور یک شی پس‌زمینه تقویت می‌شود و آن شی بزرگ‌نمایی می‌شود. این پدیده به عنوان عدسی گرانشی شناخته می شود و جسم میانی را عدسی گرانشی می نامند. به نمونه های ضعیف این اثر «میکرو لنز» می گویند.
اگر یک سیاهچاله ابتدایی در کهکشان راه شیری از بین زمین و یک ستاره پس زمینه عبور کند، ما باید اثرات میکرولنزینگ را برای مدت کوتاهی روی آن ستاره ببینیم.
آندری اودالسکی، محقق اصلی پروژه Ogle Survey، در بیانیه‌ای گفت: «پدیده میکرولنزینگ زمانی اتفاق می‌افتد که سه جسم – یک ناظر روی زمین، یک منبع نور و یک عدسی – تقریباً کاملاً در فضا قرار می‌گیرند یک رویداد میکرولنزینگ، نور منبع ممکن است منحرف و بزرگ شود، و ما یک منبع نور موقتی روشن‌کننده را مشاهده می‌کنیم.
مدت زمان روشنایی نور از یک منبع پس‌زمینه به جرم جسم عدسی‌دهنده‌ای که از بین آن عبور می‌کند و زمین بستگی دارد، در حالی که اجسام با جرم بزرگتر باعث رویدادهای میکرولنز طولانی‌تر می‌شوند. جسمی که به جرم خورشید نزدیک می شود باید حدود یک هفته درخشندگی ایجاد کند. با این حال، برای اجرام عدسی شکل با جرم 100 برابر خورشید، روشنایی باید چندین سال طول بکشد.
تلاش‌های قبلی برای استفاده از میکرولنز برای شناسایی سیاهچالههای اولیه و مطالعه ماده تاریک انجام شده است. به نظر می‌رسد آزمایش‌های قبلی نشان داده‌اند که سیاهچالهها جرم کمتری نسبت به خورشید دارند و می‌توانند کمتر از ۱۰ درصد ماده تاریک داشته باشند. با این حال، مشکل این آزمایش ها این بود که آنها به رویدادهای میکرولنزینگ بسیار دوربرد حساس نبودند.
بنابراین، از آنجایی که سیاهچالههای پرجرم‌تر (مشابه سیاهچاله‌هایی که اخیراً با استفاده از آشکارسازهای امواج گرانشی کشف شده‌اند) رویدادهای طولانی‌تری ایجاد می‌کنند، این آزمایش‌ها به آن جمعیت سیاهچالهها نیز حساس نبودند.
این تیم با تغییر به رصدهای 20 ساله از نزدیک به 80 میلیون ستاره واقع در یک کهکشان ماهواره ای یا راه شیری، به نام ابر ماژلانی بزرگ (LMC) حساسیت به رویدادهای میکرولنزینگ طولانی مدت را بهبود بخشید.
داده‌های مورد مطالعه، که اودالسکی آنها را «طولانی‌ترین، بزرگترین و دقیق‌ترین مشاهدات نورسنجی ستارگان در LMC در تاریخ نجوم مدرن» توصیف کرد، توسط پروژه OGLE از سال 2001 تا 2020 در مرحله سوم و چهارم عملیاتی آن جمع‌آوری شد. این تیم با فرض اینکه ماده تاریک راه شیری از سیاهچاله های اولیه تشکیل شده است، رویدادهای میکرولنزینگ را که توسط OGLE مشاهده می شود، با مقدار تئوری مورد انتظار چنین رویدادهایی مقایسه کردند.
مروز گفت: “اگر تمام ماده تاریک در کهکشان راه شیری از سیاهچاله هایی با جرم 10 خورشیدی تشکیل شده بود، ما باید 258 رویداد میکرولنزینگ را شناسایی می کردیم.” “برای 100 سیاهچاله با جرم خورشید، ما انتظار 99 رویداد میکرولنزینگ را داشتیم. برای 1000 سیاهچاله با جرم خورشید – 27 رویداد میکرولنزینگ.”
برخلاف این تخمین‌ها از مقادیر رویداد، تیم تنها 12 رویداد میکرولنزینگ را در داده‌های OGLE پیدا کرد. تجزیه و تحلیل بیشتر نشان داد که همه این رویدادها را می توان با ستاره های شناخته شده در کهکشان راه شیری و در خود ابر ماژلانی بزرگ توضیح داد. پس از این محاسبات، تیم دریافت که سیاهچاله‌هایی با جرم 10 جرم خورشیدی نمی‌توانند بیش از 1.2 درصد ماده تاریک را تشکیل دهند و سیاهچالههای کوچکتر با جرم 100 جرم خورشیدی نمی‌توانند بیش از 3.0 درصد از ماده تاریک را تشکیل دهند. ماده تاریک با جرم 1000 خورشیدی می تواند تنها 11 درصد ماده تاریک را تشکیل دهد.
مروز توضیح داد: «این نشان می‌دهد که سیاهچالههای عظیم می‌توانند حداکثر درصد کمی از ماده تاریک را تشکیل دهند.
اودالسکی در پایان گفت: “مشاهدات ما نشان می دهد که سیاهچاله های اولیه نمی توانند بخش قابل توجهی از ماده تاریک را تشکیل دهند، در حالی که در عین حال نرخ ادغام سیاهچاله مشاهده شده توسط LIGO و Virgo را توضیح می دهد. نتایج ما برای دهه های آینده در کتاب های درسی نجوم باقی خواهد ماند.”
این امر باعث می‌شود اخترشناسان برای توضیح مشاهدات سیاهچالههای بسیار عظیم با جرم ستاره‌ای فراتر از کهکشان راه شیری به تابلوی نقاشی برگردند، در حالی که فیزیکدانان همچنان در مورد ماهیت واقعی ماده تاریک معما می‌کنند.
تحقیقات این تیم در 24 ژوئن در مجلات Nature و Astrophysical Journal Supplement Series منتشر شد.
