آیا ستارگان تاریک، مبدأ سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر هستند؟
پژوهش جدید نشان می‌دهد که امواج گرانشی در کیهان ممکن است نشانه‌ای از فروپاشی ستارگان تاریک باشند. این ستاره‌ها به عنوان منبع اولیه سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم شناخته می‌شوند. این یافته‌ها می‌تواند درک ما...
سیگنالی از سپیده‌دم کیهان: آیا ستارگان تاریک بذر سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم بودند؟
پژوهشی جدید نشان می‌دهد که امواج گرانشی موجود در زمینه کیهان ممکن است پژواکی از فروپاشی ستارگان تاریک باشند؛ اجرامی که می‌توانند بذر نخستین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را ایجاد کرده باشند.
به گزارش پایگاه خبری پژوهندگان عصر، زنگ خطر مرموزی از امواج گرانشی که در سراسر کیهان منتشر شده‌اند، ممکن است نشانه‌ای از «ستارگان تاریک» باشد؛ اجرام فرضی در جهان اولیه که با فروپاشی خود، بذرهای سنگین نخستین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را به وجود آورده‌اند.
پژوهش‌های جدید این احتمال را بررسی می‌کنند که ستارگان تاریک فرضی ممکن است در شکل‌گیری سریع سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در نخستین میلیارد سال کیهان نقش داشته باشند و بخشی از امواج گرانشی مشاهده‌شده را توضیح دهند.
امواج گرانشی کم‌بسامد، نخستین‌بار در سال ۲۰۲۳ با استفاده از شبکه‌ای از تپ‌اخترها و روشی به نام «آرایه زمان‌سنجی تپ‌اختری» شناسایی شدند. تپ‌اخترها یا پولسار، ستاره‌های نوترونی پرچگالی هستند که با سرعت زیاد و نظم خاصی می‌چرخند و از قطب‌های خود پرتوهایی از تابش ساطع می‌کنند. با اندازه‌گیری دقیق زمان رسیدن این پرتوها به زمین، می‌توان تغییرات بسیار ظریف در فاصله‌ی میان زمین و تپ‌اخترها را ردیابی کرد؛ تغییراتی که ممکن است ناشی از عبور امواج گرانشی و انقباض و انبساط فضا-زمان باشند.
منشأ امواج گرانشی زمینه برای مدت‌ها نامشخص بود. توضیح رایج این است که سیگنال مشاهده‌شده، حاصل جمع امواج گرانشی تولیدشده هنگام چرخش مارپیچی و ادغام جفت‌های سیاه‌چاله کلان‌جرم در طول تاریخ کیهان است. با این حال، پرسش مهم‌تری بی‌پاسخ مانده است: سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم چگونه در کیهان اولیه شکل گرفتند؟
معمای بی‌پاسخ با مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) اهمیت بیشتری یافته است. جیمز وب نمونه‌هایی از سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را در کیهانی با عمر کمتر از یک میلیارد سال شناسایی کرده است؛ در حالی که بر اساس برخی مدل‌های شکل‌گیری، رشد سیاه‌چاله‌های اولیه از بذرهای کوچک به زمان بیشتری نیاز دارد.
کازمین ایلی، پژوهشگر در دانشگاه کالگیت و عضو تیم پژوهش، اظهار می‌دارد: «ستارگان تاریک در ابتدا به‌عنوان اجرامی مطرح شدند که شاید مستقیماً در سپیده‌دم کیهانی مشاهده شوند. پژوهش اما رویکردی کاملاً متفاوت برای بررسی نقش احتمالی آن‌ها در تاریخ کیهان ارائه می‌دهد. بازمانده‌های این ستارگان می‌توانند اثری گرانشی بر جای بگذارند که ردپای آن تا به امروز در جهان باقی مانده است.»
ایلی و همکارانش در دانشگاه کالگیت برای حل معما، بررسی کردند که آیا رشد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم می‌توانسته از بذرهایی بسیار سنگین آغاز شده باشد و آیا این بذرها حاصل فروپاشی ستارگان تاریک بوده‌اند؟
ستارگان تاریک، اجرامی فرضی هستند که ممکن است در جهان اولیه شکل گرفته باشند. برخلاف ستارگان معمولی که انرژی خود را از همجوشی هسته‌ای تأمین می‌کنند، منبع انرژی این اجرام در مدل‌های نظری، نابودی متقابل ذرات ماده تاریک در هسته‌ی آن‌هاست. این فرایند می‌تواند مانع از فروپاشی سریع ستاره شود؛ بنابراین ستاره می‌تواند برای مدت طولانی به جذب ماده از محیط ادامه دهد.
در این سناریو، ستارگان تاریک می‌توانستند به جرم‌هایی بسیار بیشتر از ستارگان معمولی برسند و در نهایت زیر اثر گرانش خود فروبپاشند. حاصل این فروپاشی، چندین سیاه‌چاله با جرم بسیار زیاد خواهد بود؛ بذرهایی سنگین که مسیر شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را از همان نخستین مراحل تاریخ کیهان کوتاه می‌کنند.
پژوهشگران با مدل‌سازی محیطی که در آن بذرهای سیاه‌چاله‌ای شکل می‌گیرند و با یکدیگر ادغام می‌شوند، نرخ ادغام‌ها و سهمشان در تولید امواج گرانشی زمینه را محاسبه کردند. نتایج نشان داد که بازمانده‌های ستارگان تاریک می‌توانند سهمی چشمگیر و حتی در برخی شرایط سهم غالب، در امواج گرانشی زمینه‌ی شناسایی‌شده در سال ۲۰۲۳ داشته باشند.
همچنین، یافته‌ها نشان می‌دهد که کاربرد داده‌های آرایه‌های زمان‌سنجی تپ‌اختری فقط به مطالعه‌ی جمعیت سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در کیهان متأخر محدود نمی‌شود؛ بلکه ممکن است اطلاعاتی درباره‌ی خاستگاه آن‌ها در سپیده‌دم کیهانی نیز ارائه دهند.
سهان قدله، عضو تیم مطالعه، توضیح می‌دهد: «اگر تعداد بذرهای سنگین بیش‌از‌حد باشد، سیگنالی که آرایه زمان‌سنجی تپ‌اختری شناسایی کرده، بیش‌از مقدار واقعی خواهد بود. اگر تعداد کم باشد، برای توضیح مشاهدات آرایه به منابع دیگری نیاز است تا سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم را در دوره‌های متأخرتر کیهان با سرعت کافی شکل دهند.»
یکی از عوامل تعیین‌کننده در مدل، جرم هاله‌های ماده تاریک است؛ ساختارهایی که ستارگان تاریک درون آن‌ها شکل می‌گیرند و بذرهای سنگین سیاه‌چاله‌ای نیز در دل همین هاله‌ها پدید می‌آیند. بنابراین، تعداد و جرم هاله‌ها می‌تواند بر تعداد سیاه‌چاله‌های حاصل از فروپاشی ستارگان تاریک و در نهایت، شدت پس‌زمینه امواج گرانشی اثر بگذارد.
با وجود جذابیت این سناریو، وجود ستارگان تاریک و نقش آن‌ها در شکل‌گیری نخستین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم همچنان در حد فرضیه باقی مانده است. تأیید یا رد این ایده به سنجش دقیق‌تر امواج گرانشی زمینه با آرایه‌های زمان‌سنجی تپ‌اختری و شناخت بهتر سیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه نیاز دارد. در صورت تأیید، امواج گرانشی می‌توانند به ابزاری برای مطالعه‌ی اجرامی تبدیل شوند که شاید مستقیماً قابل مشاهده نباشند و همچنین سرنخ‌هایی درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری نخستین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در اختیار دانشمندان قرار دهند.
نتایج این پژوهش در نشریه‌ی Physical Review D منتشر شده است.