ماده تاریک عامل تشکیل سیاه‌چاله‌های عظیم در آغاز عالم

همچنان که ما عمیق‌تر به جهان می‌نگریم، یک چیز بسیار عجیب را درمی‌یابیم: سیاه‌چاله‌های فوق سنگینی که تا میلیاردها برابر خورشید جرم دارند، و قبل از اینکه کیهان به ۱۰ درصد سن فعلی برسد بوجود آمده‌اند.

این یک معمای کیهانی است. از آن‌چه که درباره نرخ رشد سیا‌ه‌چاله‌ها می‌دانیم، زمان کافی از بیگ بنگ برای رشد این سیاه‌چاله‌ها وجود نداشته است. اما وجودشان غیر قابل انکار است، پس باید چیز عجیبی در میان باشد.

طبق یافته‌های پژوهشی جدید، آن چیز احتمالا یکی از عجیب‌ترین چیزها در جهان است یعنی: ماده تاریک.

های-بو یو از دانشگاه کلفرنیا ریورساید می‌گوید:

ما می‌توانیم دو دلیل برای اینکه چرا سیاه‌چاله‌های نخستین اینقدر پرجرم بوده‌اند تصور کنیم. بذر اولیه یا سیاه‌چاله‌های نوزادی که هم بسیار پرجرم بوده‌اند، و هم بسیار سریع‌تر از آنچه که تصور می‌کردیم رشد کرده‌اند. سؤال بعدی این است که چه ساز و کار فیزیکی برای تولید یک بذرِ اولیه‌ی پرجرم برای سیاه‌چاله و یا افزایش نرخ رشد آن وجود دارد؟

ماده تاریک یکی از بزرگترین اسرار کیهان است. ما نمی‌دانیم از چه ساخته شده است. تنها راه برهمکنش آن با ماده باریونی (ماده درخشان) به صورت گرانشی است.

به این دلیل که به لحاظ گرانشی برهمکنش می‌کند، می‌توانیم اثرات گرانشی آن را مثلا در چرخش کهکشان‌ها و یا خمیدگی نور در همگرایی گرانشی قوی ببینیم. و مقدار آن نیز زیاد است. تخمین زده می‌شود که ۸۵ درصد از کل ماده سازنده عالم به صورت ماده تاریک است.

اغلب کهکشان‌ها در هاله‌ای از ماده تاریک قرار دارند؛ تصور می‌شود که این هاله برای تشکیل کهکشان‌ها ضروری است. یک مدل برای تشکیل سیاه‌چاله‌های فوق سنگین، رمبش مستقیم ابرهای گازی چگال است. دکتر یو و همکارانش این پرسش را مطرح کرده‌اند که آیا شریک دیگری نیز در این اتفاق مشارکت می‌کند یا نه.

دکتر یو می‌گوید:

این سازوکار … نمی‌تواند یک بذر سیاه‌چاله اولیه با جرمی به اندازه کافی تولید کند که بتواند منجر به تشکیل سیاه‌چاله‌های فوق سنگین امروزی شود- مگر آن‌که این بذر اولیه سیاه‌چاله‌ای یک نرخ رشد جرم بی‌نهایت سریع را نیز تجربه کرده باشد. کار ما یک توجیه جایگزین را پیشنهاد می‌دهد: هاله‌ای از ماده تاریکِ خود-برهم‌کنشی یک ناپایداری گرما-گرانشی را از سر می‌گذراند و ناحیه‌ی مرکزی آن به روی بذر اولیه سیاه‌چاله رمبش گرانشی می‌کند.

تا جایی که ما می‌توانیم بگوییم، ماده تاریک تنها با ماده باریونی به صورت گرانشی برهمکنش می‌کند، اما ممکن است بتواند با خودش نیز برهمکنش کند.

سناریوی این گروه تحقیقاتی با شکل‌گیری چنین هاله‌ی ماده تاریکی آغاز می‌شود که در کیهان اولیه به صورت گرانشی تجمع می‌یابد. کششی رو به داخلِ گرانشی با فشار رو به بیرون فشار و گرما رقابت می‌کند؛ برای ماده تاریک غیرِ خود-برهمکنشی، ذرات ماده به سمت مرکز هاله تجمع می‌یابند و تحت  گرانش این فرآیند سرعت می‌یابد، و تحت فشار بیشتر پس زده می‌شوند، زیرا آن‌ها نمی‌توانند انرژی خود را به ذرات دیگر منتقل کنند.

اما ذرات ماده‌ی تاریکِ خود-برهمکنشی، می‌توانند انرژی را به دیگر ذرات منتقل کنند، و نوعی اصطکاک برای سیالِ ماده تاریک در حال چرخیدن ایجاد کنند. این منجر به کند شدن ذرات می‌شود، و تکانه‌ی زاویه‌ای کاهش می‌یابد و هاله‌ی مرکزی منقبض شده‌ و سرانجام تحت جرم خودش به صورت یک سیاه‌چاله‌ی اولیه رمبش می‌کند.

محققان می‌گویند، از این نقطه، بذر اولیه می‌تواند با برافزایشِ ماده باریونی رشد کند. و در عین حال که بذر اولیه ماده تاریک می‌تواند جرم کافی زیادی داشته باشد تا اجازه تشکیل سیاه‌چاله را دهد و به سرعت رشد نماید، هر دو شکل ماده برای این فرآیند لازم خواهد بود.

یو توضیح می‌دهد:

در کهکشان‌های متعددی، ستاره‌ها و گاز جرم غالب نواحی مرکزی هستند. بنابراین، طبیعی است که بپرسیم وجود این ماده باریونی چگونه فرآیند رمبش را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ما نشان داده‌ایم که این ماده باریونی آغاز رمبش را سرعت می‌بخشد. این ویژگی دقیقا آن چیزی است که برای توضیح منشاء سیاه‌چاله‌های فوق سنگین در کیهان اولیه لازم داریم. همچنین خود-برهمکنشی منجر به گرانروی (ویسکوزیته) می‌شود که می‌تواند تکانه زاویه‌ای را کاهش دهد و به فرآیند رمبش کمک نماید.

گروه تحقیقاتی امیدوار است که ابزارهای اندازه‌گیری آینده حساس‌تر باشند و بتوانند کهکشان‌های جهان اولیه با روشنایی فراتر از توانایی تلسکوپ‌های فعلی را شناسایی کنند.

این کار می‌بایست به راستی آزمایی مدل آن‌ها کمک نماید، نتیجه‌ای که صرفا به حل معمای سیاه‌چاله‌های فوق سنگین در کیهان نخستین کمک نخواهد کرد بلکه به شناخت سرشت ماده تاریک اسرار آمیز نیز کمک خواهد کرد.

نتایج این تحقیق در نشریه The Astrophysical Journal Letters منتشر شده است.