زمزمهای مرموز از امواج گرانشی که کیهان را فراگرفته است، ممکن است پژواکی از «ستارههای تاریک» باشد؛ اجرامی که بهعنوان بذرهای نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم عمل کردهاند.
تصویری از یک سیاهچاله پرجرم ستاره تاریک فرضی در کیهان اولیه. (اعتبار تصویر: Robert Lea)
این امواج گرانشی کمبسامد در سال ۲۰۲۳ با استفاده از مجموعهای از فانوسهای کیهانی، یعنی تپاخترها، در سامانهای موسوم به «آرایه زمانسنجی تپاخترها» (Pulsar Timing Array) شناسایی شدند. تپاخترها ستارههای نوترونیای هستند که با سرعت و منظم به دور خود میچرخند و پرتوهای باریکی را از قطبهای خود به بیرون پرتاب میکنند. این پرتوها میتوانند برای شناسایی نوسانهای بسیار کوچک در فضا و زمان به کار روند. چنین نوسانهایی در اثر عبور امواج گرانشی، یا موجهای ایجادشده در بافت فضا-زمان، پدید میآیند.
منشأ این پسزمینه خاص از امواج گرانشی کمبسامد مدتهاست تا حدی در هالهای از ابهام قرار دارد؛ بااینحال، دانشمندان امیدوار بودهاند که این امواج بتوانند رازهای عالم را از حدود ۱۳ میلیارد سال پیش در خود ثبت کرده باشند. پژوهشگران این پژوهش بر این باورند که این زمزمه از امواج فضا-زمان میتواند به توضیح چگونگی رشد سریع سیاهچالههای ابرپرجرم، پیش از آنکه کیهان حتی یک میلیارد ساله باشد، کمک کند. آنها راهحل را به وجود «ستارههای تاریک» ابرپرجرم فرضی که ممکن است در عالم آغازین فروپاشیده و از بین رفته باشند و در نتیجه، بذرهای سیاهچالههای ابرپرجرم را ایجاد کرده باشند مرتبط میدانند؛ بنابراین ستارههای تاریک شروع رشد سیاهچالههای ابرپرجرم را سرعت بخشیدهاند.
پژوهشگران میگویند: “نوادگان این اجرام میتوانند اثری از خود را بر امواج گرانشی بر جای گذاشته باشند که تا عالم امروزی نیز باقی مانده است.”
ساعتهای کیهانی و فروپاشی ستارههای تاریک
آرایههای زمانسنجی تپاخترها زمانی امواج گرانشی را آشکار میکنند که عبور این امواج، فضا را فشرده و کشیده میکند و در نتیجه، تأخیرهای بسیار کوچکی در رسیدن پرتوهای تابشی تپاخترها به زمین ایجاد میشود.
بااینحال، شناسایی پسزمینه امواج گرانشی به رصد و پایش آرایههای زمانسنجی تپاخترها طی سالیان متمادی نیاز داشت.
کازمین ایلی از پژوهشگران این پژوهش از دانشگاه کولگیت میگوید: “آرایههای زمانسنجی تپاخترها معمولاً بهعنوان ابزاری برای بررسی سامانههای دوتایی سیاهچالههای ابرپرجرم در عالم نسبتاً نزدیک در نظر گرفته میشوند. اما پژوهش ما نشان میدهد که این سیگنال ممکن است اطلاعاتی درباره چگونگی شکلگیری نیاکان این سیاهچالهها در سپیدهدم کیهانی را در خود داشته باشد.”
او میافزاید: “از این منظر، امواج گرانشیای که امروزه مشاهده میشوند، میتوانند پنجرهای تازه به سوی تولد نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم بگشایند.”
تصویر فرضی، یک ستاره نوترونی را در قلب یک تپ اختر و میدان مغناطیسی قوی آن را نشان میدهد که هنگام چرخش، پرتوهایی را از قطبهایش تابش میکند. (اعتبار تصویر: Robert Lea)
توضیح رایج برای این پسزمینه آن است که این سیگنال حاصل تاریخچهای کیهانی از سیاهچالههای دوتایی است که پیش از ادغام، بهصورت مارپیچی به سوی یکدیگر حرکت میکنند؛ بهویژه سامانههایی با جرم مجموع بیش از یک میلیارد برابر جرم خورشید.
بااینحال، این توضیح مشخص نمیکند که این سیاهچالههای ابرپرجرم از کجا آمدهاند و چگونه تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) بهطور معمول آنها را در زمانی شناسایی میکند که عالم هنوز حتی یک میلیارد ساله نبوده است؛ این در حالی است که زنجیرههای برافزایش ماده و ادغامهایی که برای شکلگیری سیاهچالههای ابرپرجرم پیشنهاد شدهاند، معمولاً بیش از یک میلیارد سال زمان میبرند.
کازمین ایلی و همکارش، سوهان گودلا برای حل این مسئله این پرسش را مطرح کردند که آیا رشد سیاهچالههای ابرپرجرم با «بذرهای سنگین» آغاز شده است و آیا این بذرها در اثر فروپاشی ستارههای تاریک شکل گرفتهاند؟
برای بررسی این احتمال، باید دید ستارههای تاریک چگونه میتوانند چنین بذرهایی را ایجاد کنند.
ستارههای تاریک، ستارههای آغازین و فرضی کیهان هستند که برخلاف ستارههای معمولی، انرژی خود را از همجوشی هستهای تولید نمیکنند، بلکه نیروی محرک آنها ماده تاریکِ خودنابودشونده در هستهشان است. از آنجا که ماده تاریک سوخت این ستارههای آغازین را فراهم میکند، آنها در مقایسه با دیگر اجرام ستارهای خنک باقی میمانند و میتوانند در طول عمر خود به جذب ماده ادامه دهند.
این فرایند تا زمانی ادامه مییابد که ستارههای تاریک به جرمی میلیونها برابر جرم خورشید برسند و بر اثر گرانش خود فروبریزند و سیاهچالههای پرجرمی ایجاد کنند؛ بذرهایی که سپس با برخورد و ادغام با یکدیگر، سیاهچالههای ابرپرجرم را شکل میدهند.
تصویر بازسازی شده از دو سیاهچاله که قبل از ادغام به دور یکدیگر میچرخند (اعتبار تصویر: ناسا)
پژوهشگران برای آزمودن این سناریو، محیطی را که بذرهای سیاهچاله حاصل از این فرایند در آن قرار میگیرند و با یکدیگر ادغام میشوند، مدلسازی کردند و نرخ ادغام و تأثیر آنها بر پسزمینه امواج گرانشی را محاسبه کردند.
آنها دریافتند که بقایای ستارههای تاریک ابرپرجرم واقعاً میتوانند سهم قابلتوجه، و حتی احتمالاً سهمی غالب، در پسزمینه امواج گرانشی شناساییشده در سال ۲۰۲۳ داشته باشند. این نتیجه نشان میدهد اندازهگیریهای انجامشده از طریق آرایههای زمانسنجی تپاخترها میتوانند به تعیین فراوانی بذرهای سنگین سیاهچالهها در عالم آغازین کمک کنند.
همچنین پژوهشگران میافزایند : “اگر تعداد این بذرهای پرجرم بیش از حد زیاد باشد، سیگنالی بیشتر از مقدار مشاهدهشده توسط آرایههای زمانسنجی تپاخترها تولید خواهد شد. اگر تعداد آنها بسیار کم باشد، برای توضیح تشکیل کارآمد سیاهچالههای ابرپرجرم در مراحل بعدی عمر عالم، به منابع دیگری نیاز خواهیم داشت تا با مشاهدات آرایههای زمانسنجی تپاخترها مطابقت داشته باشند.”
تصویری خیالی از ستارگان تاریک در هالهای از ماده تاریک. (اعتبار تصویر: Robert Lea)
عامل تعیینکننده در اینجا، جرم هالههای ماده تاریکی خواهد بود که ستارههای تاریک در آنها شکل میگیرند و بذرهای سنگین سیاهچاله نیز درون آنها پدید میآیند.
مشخص شدن اینکه آیا نظریه پژوهشگران درست است یا خیر، ممکن است به بهبود اندازهگیریهای آرایههای زمانسنجی تپاخترها از پسزمینه امواج گرانشی و همچنین شناخت بهتر جمعیت سیاهچالهها و ویژگیهای آنها در عالم آغازین موکول شود.
نتایج این پژوهش دوشنبه ۲۶ مرداد ۱۴۰۵ (۱۷ اوت ۲۰۲۶) در مجله Physical Review D منتشر شده است.
مترجم: عاطفه خدابنده
ویراستار: فائزه فتحی
منبع: Space