«مولکول‌های گرانشی» عجیب و غریب می‌توانند حول سیاهچالهها بچرخند
ما به زودی می‌توانیم وجود مولکول‌های گرانشی را تأیید یا رد کنیم، و از این طریق پنجره‌ای جدید به بخش تاریک کیهان ما بگشاییم.
سیاهچالهها از جهات مختلفی قابل توجه‌اند، به ویژه از جنبه‌ی سادگی‌شان. آن‌ها صرفا حفره هستند. آن‌ها «سیاه» هستند. این سادگی به ما امکان تشابه موازی حیرت‌انگیزی بین سیاهچالهها و دیگر شاخه‌های فیزیک می‌دهد. به عنوان مثال، گروهی از محققان نشان داده‌اند که نوع خاصی از ذرات می‌توانند حول یک جفت سیاه‌چاله وجود داشته باشند درست شبیه به الکترون‌هایی که حول یک جفت اتم هیدروژن می‌چرخند و این اولین نمونه از «مولکول‌های گرانشی» است. اجرام عجیبی که شاید سرنخ‌هایی از ماهیت ماده تاریک و سرشت حقیقی فضا-زمان به ما بدهند.
شخم زدن میدان
برای درک این تحقیق جدید که نسخه‌ای از آن در ماه سپتامبر در پایگاه داده‌ی arXiv منتشر شد، و توصیف کننده‌ی وجود مولکول‌های گرانشی است، لازم است ابتدا یکی از بنیادی‌ترین جنبه‌های فیزیک نوین را کاوش کنیم: میدان
یک میدان ابزاری ریاضیاتی است که به شما نشان می‌دهد که وقتی از مکانی به مکان دیگر در کیهان بروید انتظار چه چیزی را باید داشته باشید. برای مثال، اگر شما گزارش آب‌وهوای تلویزیون که حاکی از تغییرات دمایی در منطقه‌ی شما است را تماشا کرده باشید، در واقع شما به یک نمایش کاربر پسند از یک میدان نگاه کرده‌اید: وقتی شما از یک شهر یا استان سفر می‌کنید، توسط گزارش دمایی آب و هوا خواهید دانست که چه دمایی را باید انتظار داشته باشید و در کجا.
این نوع از میدان به عنوان میدان «نرده‌ای» شناخته می‌شود، زیرا نرده‌ای یا عددی بودن یک روش ریاضیاتی فرضی برای بیان صرفا «یک تک عدد» است. انواع دیگری از میدان‌ها در فیزیک وجود دارند مانند «میدان‌های برداری» و یا میدان‌های تانسوری، که به هر نقطه از فضا-زمان تعداد اعداد بیشتری را نسبت می‌دهد. (بطور مثال، اگر به یک نقشه که در آن سرعت و جهت باد مشخص شده نگاه کنید در واقع با یک میدان برداری طرف هستید.) اما برای این تحقیق اخیر، ما فقط لازم است که میدان اسکالر را بدانیم.
جفت توان اتمی
در روزهای اوج میانه‌ی قرن بیستم، فیزیکدان‌ها مفهوم میدان را وارد کردند- که این مفهوم قرن‌ها وجود داشته و برای ریاضیدانان آشنا بوده است.
فیزیکدان‌ها دریافتند که میدان‌ها صرفا حقه‌های ریاضیاتی کاربردی نیستند- در واقع آن‌ها چیزی فوق بنیادی درباره ساختار درونی واقعیت را توصیف می‌کنند. فیزیکدان‌ها کشف کردند که اساسا هر چیزی در عالم در واقع یک میدان است.
الکترون فروتن را در نظر بگیرید. از مکانیک کوانتومی می‌دانیم که بسیار دشوار است که مکان دقیق هر الکترون را در هر لحظه از زمان مشخص کرد. در ابتدای ظهور مکانیک کوانتومی، درک این واقعیت بسیار آشفته می‌نمود تا اینکه میدان پای به عرصه گذاشتند.
در فیزیک نوین، ما یک الکترون را به صورت یک میدان نمایش می‌دهیم- یک موجود ریاضیاتی که به ما می‌گوید الکترون را دفعه بعد کجا بیابیم. این میدان به جهان پیرامونش واکنش نشان می‌دهد، مثلا بخاطر اثر الکتریکی هسته‌های اتمی دور و اطراف- و خودش را تغییر می‌دهد و محلی که باید به دنبالش بگردیم نیز تغییر می‌کند.
نتیجه پایانی این است که الکترون‌ها می‌توانند تنها در نواحی مشخصی حول هسته‌های اتمی وجود داشته باشند، که باعث بوجود آمدن علم شیمی می‌شود.
رفقای سیاه‌چاله
و حالا بخش سیاه‌چاله. در فیزیک اتمی، می‌توانید یک ذره بنیادی (مانند الکترون) را بطور کامل با سه عدد مشخص کنید: جرم، اسپین و بار الکتریکی. و در فیزیک گرانشی، نیز می‌توانید یک سیاه‌چاله را با سه عدد توصیف کنید: جرم، اسپین و بار الکتریکی آن.
تطابق اتفاقی است؟ هیأت منصفه یکی است، اما فعلا می‌توانیم این شباهت را برای درک بهتر سیاهچالهها استفاده کنیم.
به زبان فیزیک ذرات که اکتشاف کردیم، شما می‌توانید یک اتم را به صورت یک هسته‌ی کوچک که با میدانِ الکترون احاطه شده توصیف نمائید. الکترون به حضور هسته‌ی اتم واکنش نشان می‌دهد، و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد که در نواحی خاصی ظهور یابند. این برای الکترون‌هایی حول دو هسته، مثلا در مولکول‌های دو اتمی مانند هیدروژن (H2) نیز صادق است.
می‌توانید محیط یک سیاه‌چاله را نیز بطور مشابه توصیف کنید. تکینگی کوچک در مرکز سیاه‌چاله را شبیه به هسته‌ی اتم در نظر بگیرید، در حالی‌که محیط پیرامون- مثلا یک میدان اسکالر معمول- شبیه چیزی مانند ذرات زیراتمی است. میدان اسکالر به حضور سیاه‌چاله واکنش نشان می‌دهد، و به ذره‌ی متناظر اجازه می‌دهد تنها در نواحی خاصی ظاهر شود. و نیز مانند مولکول‌های دو اتمی، می‌توانید میدان‌های اسکالر حول دو سیاه‌چاله چرخان را توصیف کنید.
نویسندگان این مقاله دریافتند که میدان‌های اسکالر می‌توانند در واقع حول سیاه‌چاله‌های دوتایی وجود داشته باشند. و به علاوه آن‌ها می‌توانند در الگوهای خاصی که شبیه به آرایش میدان‌های الکترون در مولکول‌ها است ظاهر شوند. بنابراین، رفتار میدان‌های اسکالر در این سناریو تقلیدی از رفتار الکترون‌ها در مولکول‌های دو اتمی است که در اینجا «مولکول‌های گرانشی» نامیده می‌شوند.
اما چرا به میدان‌های اسکالر علاقمندی وجود دارد؟ خوب، یکی به این دلیل که ما ماهیت انرژی تاریک و ماده تاریک را نمی‌شناسیم، و محتمل است که هر دوی انرژی تاریک و ماده تاریک از یک یا چند میدان اسکالر تشکیل شده باشند، شبیه به الکترون‌هایی که از میدان الکترون شکل گرفته‌اند.
در واقع اگر ماده تاریک از نوعی میدان اسکالر تشکیل یافته باشد، پس نتیجه این است که ماده تاریک در حالت بسیار عجیبی حول سیاه‌چاله‌های دوتایی ممکن است وجود داشته باشد- به صورت ذرات تاریک اسرارآمیزی که می‌بایست در مدارهای بسیار خاصی، وجود داشته باشد شبیه به الکترون‌ها در اتم. اما سیاه‌چاله‌های دوتایی تا ابد دوام نمی‌یابند؛ آن‌ها امواج گرانشی تابش می‌کنند و در نهایت با هم برخورد می‌کنند و تبدیل به یک سیاه‌چاله می‌شوند. این میدان‌های اسکالر ماده تاریک هر موج گرانشی تابش شده طی چنین برخوردی را تحت تأثیر قرار می‌دهد، زیرا این ذرات هر موج گذرنده از نواحی با چگالی بالای ماده تاریک را فیلتر یا منحرف یا تغییر شکل می‌دهند. این بدین معناست که شاید ما بتوانیم این نوع از ماده تاریک را با حساسیت کافی در آشکارسازیهای فعلی امواج گرانشی بیابیم.
بطور خلاصه: ما به زودی می‌توانیم وجود مولکول‌های گرانشی را تأیید یا رد کنیم، و از این طریق پنجره‌ای جدید به بخش تاریک کیهان ما بگشاییم.
منبع: Live Science
