سیاه‌چاله‌های عظیم‌الجثه سهم عمده‌ای در ماده تاریک ندارند

ماده تاریک: معمایی که نزدیک به یک قرن گشوده نشده است

از دهه ۱۹۳۰ میلادی، اخترشناسان متوجه شدند که کهکشان‌ها با سرعتی بسیار بیشتر از آنچه جرم مرئی‌شان اجازه می‌دهد می‌چرخند. ستارگان در حاشیه کهکشان‌های مارپیچی باید بر اساس قوانین کپلر کندتر حرکت کنند، اما مشاهده‌ها نشان می‌داد سرعت آن‌ها تقریباً ثابت می‌ماند. اگر تنها جرم ستاره‌ها و گاز موجود بود، این کهکشان‌ها می‌بایست از هم بپاشند. راه‌حل متداول، فرض وجود نوعی ماده نادیده است که با گرانش خود ساختار کهکشان را کنار هم نگه می‌دارد: ماده تاریک (Dark Matter).

برآوردهای کیهان‌شناسی نشان می‌دهد ماده تاریک حدود پنج‌ششم از کل ماده جهان را تشکیل می‌دهد؛ یعنی در برابر هر یک ذره ماده معمولی، حدود پنج برابر ماده تاریک وجود دارد. با این حال، ماهیت این ماده همچنان ناشناخته است. هیچ‌کس تاکنون آن را به‌طور مستقیم ندیده و حتی گروهی از فیزیکدانان در وجود آن تردید جدی دارند. چیزی که می‌دانیم این است که ماده تاریک باید ویژگی‌های مشخصی داشته باشد: جرم فراوان، برهم‌کنش بسیار ضعیف با نور، و توزیع فضایی خاص.

سیاه‌چاله‌ها به عنوان نامزد ماده تاریک

سیاه‌چاله‌ها از نظر تئوری نامزد جذابی برای ماده تاریک هستند، زیرا جرم بسیار زیاد و برهم‌کنش ناچیز با نور دارند و در تاریکی فضای کیهانی به‌سختی دیده می‌شوند. اگر جهان پر از سیاه‌چاله‌های کوچک و تاریک باشد، شاید بتواند توضیح دهد که چرا جرم گم‌شده را نمی‌بینیم.

در پژوهش تازه‌ای که گروهی از فیزیکدانان نظری از مؤسسه فیزیک نظری ماینتس در آلمان و دانشگاه نیویورک ابوظبی انجام داده‌اند، به‌طور مشخص این پرسش بررسی شده که آیا ماده تاریک می‌تواند از «سیاه‌چاله‌های به‌تهای عظیم» (Stupendously Large Black Holes) ساخته شده باشد. منظور از این اصطلاح، سیاه‌چاله‌هایی با جرم بیش از صد میلیارد برابر جرم خورشید است. جالب است بدانید سیاه‌چاله‌هایی با جرم میان یک میلیون میلیارد تا ده میلیون میلیارد برابر خورشید، از خود یک کهکشان کامل سنگین‌تر خواهند بود.

تا امروز هیچ‌یک از این اجرام کشف نشده است. بزرگ‌ترین سیاه‌چاله شناخته‌شده جرمی در حدود ۳۶ میلیارد برابر خورشید دارد. بنابراین حتی سنگین‌ترین غول‌های کیهانی شناخته‌شده نیز به آستانه «به‌تهای عظیم» نمی‌رسند.

آزمون دانه‌داری کیهان

نکته کلیدی پژوهش در یک تفاوت مفهومی نهفته است. ماده تاریک معمولاً به‌صورت «غباری ریز که همه‌جا پخش شده» تصور می‌شود؛ تصویری پیوسته و هموار. اما اگر ماده تاریک به‌جای ذرات بی‌شمار، در تعداد محدودی جرم غول‌آسا فشرده شده باشد، ساختار جهان در مقیاس‌های بسیار بزرگ «دانه‌داری» (Graininess) پیدا می‌کند. کریستوفر گرلاخ، از نویسندگان مقاله، این را چنین توضیح می‌دهد: اگر ماده تاریک در چند جسم بسیار بزرگ متمرکز باشد، جهان در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها یکنواخت نیست و این نایکنواختی قابل اندازه‌گیری است.

این ایده در عمل به یک آزمون مشاهده‌ای روشن تبدیل می‌شود: اگر این غول‌ها وجود داشته باشند، باید اثر انگشت خود را بر توزیع ماده در جهان آغازین گذاشته باشند.

تابش زمینه کیهانی: عکس یادگاری نوزادی کیهان

برای بررسی این اثر، پژوهشگران نور نخستین کیهان را تحلیل کردند. در ۳۸۰ هزار سال نخست پس از مه‌بانگ، جهان پر از پلاسمای داغی بود که نور در آن به دام افتاده بود؛ الکترون‌های آزاد مدام فوتون‌ها را پراکنده می‌کردند و جهان در واقع کدر بود. با انبساط کیهان و کاهش دما، این پلاسما به‌تدریج فروپاشید و اتم‌های خنثی شکل گرفتند. از آن لحظه به بعد، نور توانست آزادانه حرکت کند و همان نور همچنان تا امروز به ما می‌رسد.

این نور کهن، تابش زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background) نام دارد و در واقع عکسی تمام‌آسمانی از نوزادی جهان است. آنتونیو ایووینو، دیگر نویسنده مقاله، اشاره می‌کند که دمای این تابش از نقطه‌ای به نقطه دیگر تنها حدود یک جزء در صد هزار جزء تغییر می‌کند. همین نوسان‌های بسیار کوچک، اطلاعاتی گران‌بها در خود دارند: الگوی آن‌ها نشان می‌دهد ماده در آن دوران چگونه توزیع شده بود.

چرا الگوی دما کلید ماجراست

اینجا نقطه تلاقی نظریه و مشاهده است. اگر ماده تاریک عمدتاً از سیاه‌چاله‌های فوق‌عظیم ساخته شده بود، گرانش موضعی این اجرام باید ناهنجاری‌های مشخصی در توزیع ماده اولیه ایجاد می‌کرد؛ ناهنجاری‌هایی که در الگوی دمایی تابش زمینه کیهانی به شکل یک «دانه‌داری» خاص ظاهر می‌شد. اما تحلیل داده‌ها نشان داد که این تابش چنین دانه‌داری‌ای ندارد. نیکولاس لایستر، از پژوهشگران این تیم، نتیجه را صریح بیان می‌کند: این سیاه‌چاله‌ها نمی‌توانند بخش قابل‌توجهی از ماده تاریک را تشکیل دهند.

نکته مهم روش‌شناختی این است که تابش زمینه کیهانی یک «آزمون یکپارچه» است. این تابش کل تاریخ انبساط جهان را در خود ثبت کرده و هر تغییری در ترکیب ماده اولیه، ردپایی در آن باقی می‌گذارد. به همین دلیل، بررسی الگوی ناهمسانگردی آن یکی از دقیق‌ترین ابزارهای موجود برای سنجش فرضیه‌های ماده تاریک است.

رد یک فرضیه، نه رد یک جرم

نویسندگان مقاله تأکید می‌کنند که یافته‌هایشان به معنای غیرممکن بودن وجود سیاه‌چاله‌های به‌تهای عظیم نیست. نتیجه تنها این است که این اجرام نمی‌توانند بخش عمده ماده تاریک را بسازند. این تمایز در علم اهمیت زیادی دارد: یک فرضیه درباره نقش یک جسم رد می‌شود، نه خود آن جسم.

گام بعدی: سیاه‌چاله‌های سیارک‌جرم

در ادامه، پژوهشگران به سراغ نامزد دیگری رفته‌اند: سیاه‌چاله‌های نخستینی (Primordial Black Holes) با جرمی در حدود یک سیارک. این اجرام در لحظات آغازین کیهان شکل گرفته‌اند و بسیار کوچک‌تر از آن هستند که با روش‌های کنونی به‌آسانی رصد شوند. تیم پژوهشی اکنون در حال بررسی این پرسش است که آیا می‌توان این سیاه‌چاله‌های ریز را نیز به عنوان سازنده اصلی ماده تاریک کنار گذاشت یا نه. اگر پاسخ منفی باشد، شاید یکی از جدی‌ترین توضیح‌های ممکن برای جرم گم‌شده جهان زنده بماند.

چرا این نتیجه اهمیت دارد

این پژوهش نمونه‌ای روشن از چگونگی پیشرفت علم است: به‌جای جست‌وجوی مستقیم و بی‌پایان برای چیزی که ممکن است هرگز دیده نشود، پژوهشگران از داده‌های موجود برای محدود کردن فضای احتمال استفاده می‌کنند. هر فرضیه‌ای که رد می‌شود، دایره گزینه‌های باقی‌مانده را تنگ‌تر می‌کند و مسیر را برای نظریه‌های بعدی هموار می‌سازد. ماده تاریک همچنان یکی از بزرگ‌ترین رازهای فیزیک است، اما به لطف تحلیل‌هایی از این دست، می‌دانیم که دست‌کم یکی از غول‌های فرضی کیهان، سهمی در این راز ندارد.

نتایج این پژوهش قرار است در شماره ۲۶ اکتبر مجله Physical Review Letters منتشر شود.