ممکن است سیاهچالهها منشاء انرژی تاریک در کیهان باشند
نظریه‌ای جدید برای یکی از بزرگترین رازهای کیهانشناسی
شواهد رصدی جدید، بر رابطه‌ی محتمل بین سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها و انرژی تاریک، عامل انبساط شتابدار کیهان دلالت دارد.
اخیرا، نتایج مطالعه‌ای به تیتر یک رسانه‌ها تبدیل شده است، مبنی بر این‌که کیهان‌شناسان به این نتیجه رسیده‌اند که عامل اسرارآمیز انبساط کیهان یا همان «انرژی تاریک»، می‌تواند از دل سیاه‌چاله‌های عظیم در قلب کهکشان‌ها به وجود بیاید. اگر این ارتباط درست باشد، این مطالعه، دو تا از بغرنج‌ترین مفاهیم در فیزیک – سیاهچالهها و انرژی تاریک – را به هم مرتبط می‌کند و نشان می‌دهد که منبع انرژی تاریک چندین دهه است که جلوی چشم نظریه‌پردازان بوده است. با این‌حال، برخی از نظریه‌پردازان برجسته به شدت نسبت به این ایده تردید دارند.
در اواخر قرن بیستم، زمانی که اخترشناسان دریافتند که کیهان با سرعتی فزاینده در حال انبساط است، برای توضیح این انبساط، این نظریه را مطرح کردند که می‌بایست نیرویی وجود داشته باشد که چیزها را از هم دورتر کند و بر گرانش غلبه کند. این عامل یا نیرو به عنوان «انرژی تاریک» مطرح شد، اما هیچ‌کس تا به حال متوجه نشده است که این انرژی مرموز از کجا آمده است.
اما تیمی متشکل از ۱۷ محقق بین‌المللی به رهبری دانشگاه هاوایی اولین شواهد را برای سرمنشاء انرژی تاریک کشف کرده‌اند: سیاهچالهها!
سیاهچالهها از دو طریق جرم کسب می‌کنند: برافزایش گاز در اطراف افق رویداد سیاه‌چاله و ادغام آن‌ها با سیاه‌چاله‌های دیگر. اما محققان در این مطالعه، با بررسی تاریخچه ۹ میلیارد سال تحول سیاهچالهها در مرکز کهکشان‌های بیضوی که کهکشان‌های غول پیکر اما خفته‌ای هستند، دریافتند که سیاه‌چاله‌های قدیمی‌تر بسیار بزرگتر از آن چیزی هستند که بر اساس این دو روش می‌توانند رشد کرده باشند. این بدان معناست که باید روش دیگری برای کسب جرم توسط این سیاهچالهها وجود داشته باشد. محققان پیشنهاد می‌کنند که این روش، انرژی تاریک به شکل انرژی خلاء است، نوعی از انرژی که در خود بافتار فضا-زمان گنجانده شده است که اجزای کیهان را از هم دورتر می‌کند و انبساط را سرعت می‌بخشد. اما برخی فیزیکدانان برجسته، به شدت نسبت به این ایده با تردید نگاه می‌کنند.
روبرت والد، فیزیکدان نظری در دانشگاه شیکاگو که در نظریه‌ی نسبیت عام آلبرت اینشتین، یعنی ادراک استاندارد از گرانش، متخصص است، می‌گوید: «آنچه آن‌ها پیشنهاد می‌کنند برای من بی‌معنا است.» اما برخی دیگر از نظریه‌پردازای پذیرای این ادعای رادیکال بودند – حتی اگر در نهایت اشتباه باشد. نیایش افشردی اخترفیزیکدان ایرانی‌الاصل در دانشگاه واترلو و موسسه فیزیک نظری پریمتر (Perimeter Institute for Theoretical Physics) می‌گوید: «من شخصاً در مورد این ایده هیجان زده هستم.»
در نگاه نخست به نظر می‌رسد سیاهچالهها و انرژی تاریک هیچ ربطی به هم ندارند. بر اساس نسبیت عام، سیاه‌چاله یک میدان گرانشی خالص است که آن‌چنان قوی است که انرژی خودش، وجودش را حفظ می‌کند. تصور کلی این است که چنین چیز عجیب و غریبی زمانی پدیدار می‌شود که ستارگان عظیم تا حد بی‌نهایت کوچکی در خود فرو می‌ریزند و فقط میدان‌های گرانشی از خود باقی می‌‌گذارند. و همچنین شواهد متعددی دلالت بر این دارند که سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم با جرمی معادل میلیون‌ها تا میلیاردها برابر جرم خورشیدِ ما در قلب کهکشان‌ها پنهان شده‌اند.
در مقابل، انرژی تاریک پدیده‌ای مرموز است که فضا را کشیده و انبساط کیهان را تسریع می‌کند. نظریه‌پردازان فکر می‌کنند انرژی تاریک می‌تواند نشان‌دهنده‌ی نوعی میدان جدید در فضا باشد، شبیه به یک میدان الکتریکی، یا می‌تواند یک ویژگی ذاتی خود خلاء باشد.
پس چگونه می‌توان این دو پدیده متفاوت را به هم مرتبط کرد؟ در حقیقت این ایده که سیاهچالهها منبع انرژی تاریک هستند، چندان جدید نیست. اما اولین بار است که ستاره‌شناسان شواهد رصدی برای حمایت از این نظریه به دست می‌آورند. در مکانیک کوانتومی پیشنهاد می‌شود که خلاء باید حاوی نوعی انرژی باشد که به عنوان انرژی خلاء شناخته می‌شود. تصور می‌شود که این انرژی در سرتاسر کیهان پراکنده شده و نیرویی مخالف گرانش اعمال می‌کند و با آن مقابله می‌کند، در نتیجه این ویژگی، انرژی خلاء را به نامزد اصلی برای هویت انرژی تاریک تبدیل می‌کند. در سال ۱۹۶۶، فیزیکدان اهل شوروی، اراست گلینر (Erast Gliner)، با حل معادلات اینشتین نشان داد که ممکن است اجرامی وجود داشته باشند که از نظر ناظران بیرونی دقیقا مانند یک سیاه‌چاله رفتار کنند اما در واقع، توپ‌های غول پیکری متشکل از انرژی خلاء هستند.
اگر چنین اجرامی وجود داشته باشند، به این معنی است که انرژی تاریک به جای این‌که به طور یکنواخت در سراسر فضا پخش شده باشد، در مکان‌های خاصی در فضای داخلی سیاهچالهها محدود شده است. حتی در این نقاط خاص نیز، انرژی تاریک همچنان اثر خود را بر انبساط کیهان و کشش فضا اعمال می‌کند.
یکی از پیامدهای این ایده – این‌که سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم منبع انرژی تاریک هستند – این است که آن‌ها با انبساط دائمی فضا مرتبط هستند و جرم آن‌ها نیز می‌بایست با انبساط کیهان تغییر کند. یعنی بطور مثال اگر حجم کیهان دو برابر شود، جرم سیاه‌چاله نیز افزایش می‌یابد.
برای آزمایش این احتمال، دانکن فراه (Duncan Farrah) از دانشگاه هاوایی و همکارانش کهکشان‌های بیضوی را که شامل سیاه‌چاله‌هایی با جرم میلیون‌ها تا میلیاردها برابر خورشید در مرکز خود هستند مورد مطالعه قرار دادند. آن‌ها روی کهکشان‌هایی متمرکز شدند که گاز یا غبار کمی در فضای میان‌ستاره‌ای آن‌ها موجود بود، که این گاز و غبار می‌تواند منبعی برای تغذیه و افزایش جرم سیاه‌چاله مرکزی کهکشان باشد. انتظار نمی‌رود که چنین سیاه‌چاله‌هایی در طی تاریخچه کیهانی تغییر زیادی کنند.
با این‌حال، با تجزیه و تحلیل ویژگی‌های کهکشان‌های بیضوی مورد نظر در طول تقریبا ۹ میلیارد سال تاریخچه تحول کیهان، گروه تحقیقاتی متوجه شد که سیاهچالهها در کیهان اولیه نسبت به کهکشان میزبان خود در مقایسه با سیاه‌چاله‌های فعلی با کهکشان‌های موجود در کیهان امروز بسیار کوچکتر بودند، که نشان می‌دهد آن‌ها بین ۷ تا ۱۰ برابر رشد کرده‌اند.
دانکن فراه به عنوان رهبر این پژوهش، می‌گوید نکته کلیدی این است که سیاهچالهها در طی زمان بزرگ شده‌اند در حالی‌که کهکشان‌ها بزرگ نشده‌اند. اگر سیاهچالهها با تغذیه از گاز و غبار اطرافشان رشد کرده بودند، آن ماده باید ستاره‌های جدید زیادی را در بخش‌هایی از کهکشان دور از سیاه‌چاله ایجاد می‌کرد. اما اگر سیاهچالهها از انرژی تاریک ساخته شده باشند، نسبت به تغییرات اندازه کیهان دقیقا همان‌گونه که محققان در مرکز کهکشان‌های بیضوی مشاهده کردند، واکنش نشان می‌دهند.
اما روبرت والد، فیزیکدان نظری متقاعد نشده است. او این سوال را مطرح می‌کند که چگونه یک گوی از انرژی تاریک خالص می‌تواند پایدار باشد. او همچنین انتقاد می‌کند که به نظر نمی‌رسد این اعداد با هم جور در بیایند: انرژی تاریک حدود ۷۰ درصد از محتوای جرم-انرژی کیهان را تشکیل می‌دهد، در حالی‌که سیاهچالهها تنها کسری از ماده معمولی هستند که کل ماده معمولی کمتر از ۵ درصد کیهان را تشکیل می‌دهد. والد می‌افزاید:«قابل تصور نیست که چنین اجسامی بتوانند با انرژی تاریک مشاهده شده مرتبط باشند.»
گروهی دیگر از فیزیکدانان منتظر هستند ببینند چه می‌شود. گراینت لوئیس کیهان‌شناس از دانشگاه سیدنی می‌گوید: «در حال حاضر، این ایده یک احتمال جالب است، اما اگر این منبع انرژی تاریک به عنوان یک ایده محتمل، حتی از دور قابل قبول باشد، باید شواهد رصدی بیشتری وجود داشته باشد.»
اما نیایش افشردی موافق این ایده است. او می‌گوید اگر سیاهچالهها و انرژی تاریک به این طریق به هم مرتبط باشند، احتمالاً پیامدهای قابل مشاهده‌ی دیگری نیز در کیهان به همراه خواهد داشت. با این‌حال، در حال حاضر، او مطمئن نیست که آن پیامدها چه خواهند بود. او می‌افزاید که تعیین دقیق چگونگی تحول کهکشان‌ها در طول زمان کار دشواری است و ممکن است مکانیسم‌های دیگری برای رشد سیاهچالهها وجود داشته باشد که این گروه تحقیقاتی در نظر نگرفته است.
با این وجود، افشردی از تلاش‌های مختلف برای بازنگری در مفروضات اساسی ما درباره کیهان استقبال می‌کند. او می‌گوید: «بیشتر ایده‌های نظری جدید با شک و تردید رد می‌شوند. اما اگر همه ایده‌های جدید را کنار بگذاریم، دیگر چیزی باقی نمی‌ماند.»
نتایج این مطالعه طی دو مقاله در Astrophysical Journal و Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.
