معمای ماده تاریک؛ آیا سیاهچالههایی هم‌اندازه یک اتم این معما را حل می‌کنند؟
حدود ۱۴ میلیارد سال پیش، زمانی که ساعت کیهان شروع به تیک‌تاک کرد، فضا هنوز بسته‌ای فشرده، داغ و عجیب از مواد کیهانی بود. ستاره‌ها هنوز نمی‌چرخیدند، سیاره‌ها متولد نشده بودند و ذرات با هر شکل و اندازه‌ای تصادفی در جهات مختلف حرکت می‌کردند؛ هرج و مرج مطلق!
در میان این بی‌قانونی، جایی بین غبارهای ستاره‌ای، ممکن است چند بسته‌ی ناپایدار، فوق فشرده و بسیار کوچک از این مواد شعله‌ور دچار فروپاشی شده باشند. این اتفاقات اگر به وقوع پیوسته باشد، جهان تازه به دنیا آمده را با خوشه‌هایی از سیاهچالهها که اندازه‌ی هر کدام از آن‌ها از یک اتم کوچکتر است، با نقطه‌چین رسم کرده است.
اما اجازه ندهید این کره‌های کوچک ویرانگر شما را فریب دهند. سیاه‌چاله‌ای به اندازه نصف یک توپ گلف، جرمی معادل جرم زمین دارد. حتی سیاهچالههای میکروسکوپی، با جرم‌هایی قابل مقایسه با سیارک‌ها، بی‌وقفه همه چیز را در مسیر خود می‌بلعند و نابود می‌کنند.
آهسته آهسته، با گسترش و پیشرفت جهان، انبوهی از این سیاهچالهها شاهد ظهور و افول منظومه‌های سیاره‌ای بودند و حتی ممکن است میلیاردها سال پیش از اطراف نقطه‌ای از کیهان که ما در آن هستیم، عبور کرده باشند.
در نهایت، این سیاهچالههای کوچک از یکدیگر دور شده‌اند. اما اگر آن‌ها در گذشته وجود داشته‌اند، دانشمندان احتمال می‌دهند که هنوز هم، در داخل و اطراف کهکشان‌ها پرسه بزنند. دانشمندان معتقدند که آن‌ها جدیدترین سرنخ ما در مورد «ماده‌ی تاریک» (شاید بزرگ‌ترین راز جهان) هستند.
تلاش‌ها برای شناخت ماده‌ی تاریک، این ذره یا نیروی عجیب و نامرئی که به نوعی کیهان را به هم متصل می‌کند، اغلب به بن‌بست می‌رسد. حل این معما، در واقع نیازمند یافتن ماده‌ی تاریک است.
بنابراین برای اطمینان از اینکه این فرضیه‌ی ابداعی به بن‌بست نمی‌رسد، باید نسخه‌های غیر قابل مشاهده و مینیاتوری از سیاهچالهها را پیدا کنیم. اما چگونه؟ در حالیکه ما در مسیر دسترسی به تجهیزات شناسایی اشیاء قابل مشاهده و بسیار سنگین نیز مشکلات زیادی داریم. اینجا است که «ماه» وارد می‌شود.
مت کاپلان، استادیار فیزیک در دانشگاه ایالتی ایلینویز و یکی از نظریه پردازان این تحقیق که در ماه مارس منتشر شده است، معتقد است که اگر واقعاً بتوان هویت ماده‌ی تاریک را با این سیاهچالههای کوچک توضیح داد، در این صورت ممکن است این سیاهچالهها در مقطعی ماه را بمباران کرده باشند.
بله، درست خواندید؛ ماه ممکن است توسط سیاهچالههایی به اندازه اتم بمباران شده باشد. اگر یک قدم جلوتر برویم، آثار زخم هایی که آن‌ها به ماه وارد کرده‌اند باید همچنان روی ماه باشد. اگر وجود این آثار ثابت شود، ممکن است معمای ماده‌ی تاریک دیگر غیرقابل حل نباشد. حتی ممکن است زمین نیز توسط این سیاهچالهها مورد عنایت قرار گرفته شده باشند.
اما واقعا ماده‌ی تاریک چیست؟
آلموگ یالینویچ، فیزیکدان نظری در مؤسسه‌ی اخترفیزیک نظری کانادا، که این مقاله را همراه با کاپلان نوشته است، می‌گوید:
تعریف قابل فهم و دقیق‌تر ماده‌ی تاریک، ماده نامرئی است. با نور تعامل نمی‌کند، آن را منعکس نمی‌کند و نوری تولید نمی‌کند.
انرژی تاریک که عامل اصلی افزایش سرعت انبساط کیهان است، ۶۸درصد از کیهان را تشکیل می‌دهد. این عدد برای ماده‌ی تاریک که این سرعت را کاهش می‌دهد، ۲۷درصد است. این بدان معنا است که کمتر از ۵درصد کیهان قابل مشاهده است و از انرژی و ماده‌ی استانداردی که ما روی زمین به آن عادت کرده‌ایم، تشکیل شده است.
ماده تاریک، با وجود اینکه نمی‌توانیم آن را ببینیم، به اندازه کافی حیله‌گر نیست که بتواند ردپای خود را پنهان کند. سارا شاندرا، دانشیار فیزیک و مدیر مؤسسه گرانش و کیهان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، می‌گوید که نحوه حرکت اجسام اخترفیزیکی در جهان ثابت می‌کند که ماده تاریک وجود دارد.
به عبارت دیگر، اخترشناسان گمان می‌کنند که ماده تاریک جهان را سریع‌تر از آنچه محاسبات آن‌ها پیش‌بینی می‌کند، گسترش می‌دهد. شاندرا همچنین بر تعداد بیشماری از شواهد برای تأیید حضور ماده‌ی تاریک در همه‌جای کیهان تأکید می‌کند. تنها مسئله، نامرئی بودن آن است.
اما در این دنیا هر چیزی رد پای خود را بر جای می‌گذارد. اگر همان‌طور که کاپلان و یالینویچ می‌گویند، واقعاً یک سیاهچاله کوچک به ماه برخورد می‌کرد، ما متوجه اثرات برخورد خواهیم شد. آن‌ها می گویند که این برخورد، دهانه های کوچکی به عرض چند متر با اشکال و ویژگی های متفاوت از برخوردهای معمول سیارک‌ها ایجاد می‌کند.
بنابراین، کاپلان و یالینویچ استدلال می‌کنند که اگر ماه را مورد مطالعه قرار دهیم و دهانه‌هایی را پیدا کنیم که با توصیف برخورد یک سیاه‌چاله‌ی مینیاتوری مطابقت دارند، وجود این سیاهچالههای کوچک جهان اولیه را ثابت می‌کنیم.
به گفته شاندرا، یکی از هشدارهای این نظریه این است که ستاره‌شناسان هنوز در حال مطالعه نوسانات فوق کوچک و اولیه جهان که برای ایجاد سیاهچالههای اولیه و میکروسکوپی لازم است، نیستند. در عوض، آن‌ها چنین آشفتگی‌هایی را در مقیاس‌های بزرگتر مطالعه می‌کنند. او همچنین خاطرنشان می‌کند که مفهوم سیاهچالههای اولیه، میکروسکوپی یا غیر‌میکروسکوپی، هنوز چند ابهام دارد که باید روشن شود. او می‌گوید:
به نظر نمی‌رسد ماده‌ی تاریک در چارچوب‌های رایج ما به‌راحتی جا بیفتد. اما شاید ما از چارچوب اشتباهی استفاده می‌کنیم.
کاوش در علم سیاهچالههای میکروسکوپی
این نظریه بلندپروازانه سه سال پیش زمانی مطرح شد که کاپلان یک سؤال ساده از یالینویچ پرسید؛ آیا فقط از روی شکل یک دهانه روی ماه می‌توانید بفهمید که آیا از یک برخورد مرسوم تشکیل شده است یا از برخورد یک جسم فشرده مانند سیاهچاله؟
یالینوویچ جوابی برای این سؤال نداشت ولی دو سال بعد ناگهان موضوعی به ذهنش رسید. او متوجه شد که تفاوت در نحوه‌ی پخش شدن ماده در هنگام سقوط چیزی روی آن است. اگر یک سکه را روی مقداری پودر بیاندازیم، ذرات گرد و غبار به سمت بالا می‌ریزند، سپس در اطراف لبه‌ی سکه فرود می‌آیند. دهانه‌ها نیز به همین ترتیب عمل می‌کنند. سیارک‌هایی که بر سطح ماه سقوط می‌کنند، فرو می‌روند و تپه‌ای را ایجاد می‌کنند که در اطراف محل برخورد باریک می‌شود و ظاهر دره‌مانند به آن می‌دهد.
کاپلان در این مورد می‌گوید:
به دلیل اینکه که سیاهچالهها در اصابت، تمام انرژی خود را دقیقاً در سطح ماه ذخیره نمی‌کنند و به ماه فرو می‌روند، آن‌ها انرژی را در امتداد یک نوار ذخیره می‌کنند. این کار مانند حفر یک چاه، پر کردن آن با ستونی از دینامیت و سپس منفجر کردن آن است.
اگرچه آن‌ها هنوز شبیه دهانه‌های گردی هستند که ما می‌شناسیم، تپه‌ی اطراف لبه دهانه متفاوت، شیب‌دارتر و بلندتر خواهد بود. همچنین سیاهچاله (مانند گلوله) به هنگام خروج، یک زخم در آن سوی ماه ایجاد می‌کند.
به گفته یالینویچ، جرم این سیاهچاله ها از ۱۰ به‌توان ۱۷ تا ۱۰ به‌توان ۲۳گرم متغیر است . این تیم تحقیقاتی معتقد است سیاهچالههایی که کمی کوچکتر هستند، امواج قابل تشخیص اشعه ایکس ساطع می‌کنند یا به کلی ناپدید می‌شوند. یالینویچ می‌گوید: «به همین دلیل است که مقاله ما قابل توجه است. ما محدوده‌ای را ثابت می‌کنیم که با روش‌های دیگر قابل اثبات نیست».
اما این فقط ماه نیست که ممکن است مورد اصابت قرار بگیرد. یالینویچ می‌گوید: «در اصل، هیچ نکته‌ی خاصی در مورد ماه وجود ندارد. تنها دلیلی که ما ماه را مورد بررسی قرار می‌دهیم این است که ماه به خوبی مطالعه شده است. برخی از قمرهای نپتون، مشتری یا عطارد نیز می‌توانند نامزدهای خوبی باشند. این سیاهچالههای کوچک ترسناک می‌توانستند به زمین اولیه نیز برخورد کنند، اما از مدت‌ها قبل از حضور انسان‌ها، اتمسفر سیاره ما از آن در برابر این ضربه‌ها محافظت می‌کرده است». به گفته کاپلان، فرسایش روی سطح زمین، احتمالاً هرگونه داده از یک برخورد احتمالی را پاک کرده است.
این بدان معنا است که از آنجایی که اتمسفر ما هنوز کارآیی خود را از دست نداده است (مگر اینکه تغییرات آب و هوایی، آینده‌ی دیگری را برای اتمسفر ترسیم کند)، زمین همچنان از سیاهچالههای کوچک در امان است. در هر صورت، محققان پیشنهاد می‌کنند که این نوزادان اخترفیزیکی تا به حال آنقدر در کیهان پخش شده‌اند که احتمال اینکه یکی از آن‌ها به ما برخورد کند، بسیار کم است.
سفری به ماه
کاپلان و یالینویچ به یک اقدام حمایتی برای تقویت نظریه منحصر‌به‌فرد خود نیاز دارند؛ بازدید مجدد از ماه.
آن‌ها می گویند از آنجایی که این سیاهچالهها دارای یک تأثیر گرانشی فوق‌العاده شدید (غیرقابل درک برای ذهن انسان) هستند، خواص مواد اطراف محل اصابت را تغییر داده‌اند. بمب های هسته‌ای نیز رفتار مشابهی دارند. در اولین مورد آزمایش این بمب در سال ۱۹۴۵ مشاهده شد ماسه های نزدیک محل انفجار به شیشه تبدیل شده بودند.
کاپلان در این مورد می‌گوید:
در اطراف دهانه‌های مربوط به اصابت سیاهچالهها، شما می‌توانید غباری از فازهای متفاوت کوارتز و سیلیکات را که در اصابت‌های معمولی تولید نمی‌شود، ببینید. برخورد سنگ با سنگ حرارت لازم برای این تغییرات را فراهم نمی‌کند.
اما یافتن این مواد تغییر یافته مستلزم این است که فضانوردان نمونه هایی را از سطح ماه برگردانند یا کاوشگری به ماه بفرستند که بتواند از سنگ ها نمونه برداری کند، مشابه روشی که مریخ‌نوردها کار می‌کنند. ناسا از دهه ۷۰ کسی را به ماه نفرستاده است، اما در این دهه تلاش کرده است تا با مأموریت آرتمیس دوباره به ماه قدم بگذارد.
با این حال، کاپلان می‌گوید قبل از این مرحله ، اولین قدم استفاده از ابررایانه‌ها و تجزیه و تحلیل ساختار دهانه‌های روی ماه از روی زمین است. با این حال، یالینویچ تأکید می‌کند که قصد دارد دید تازه‌ای به جامعه علمی بدهد. او می‌گوید: وقتی دانشمندان به ماده تاریک فکر می‌کنند، در بیشتر موارد به تلاش برای گسترش روش‌های موجود، متمرکز می‌شوند. بسیار نادر است که سعی کنند خارج از چارچوب فکر کنند.
نظریه های موجود ماده‌ی تاریک و فراتر از آن
نظریه کاپلان و یالینویچ تنها یکی از بی شمار فرضیه‌هایی است که فیزیکدانان برای توضیح ماده‌ی تاریک ارائه کرده‌اند. کاپلان می‌گوید در بحث توصیف ماده‌ی تاریک در کنار اشیاء اخترفیزیکی کوچک، مانند سیاهچالههای میکروسکوپی که توسط تحقیقات او مطرح شد، از ذرات سنگین با تعامل ضعیف (WIMPS) که تصور می‌شود هزار برابر از پروتون سنگین‌تر هستند، نیز صحبت به میان آمده است.
ذرات سنگین با تعامل ضعیف هنوز شناسایی نشده‌اند. به همین دلیل دیگر مبحث داغی در این راستا به شمار نمی‌آیند. کاپلان دو ذره‌ی بنیادی دیگر که برای حل این معما به کار گرفته شده‌اند، معرفی می‌کند: «اکسیون» و «نوترینو». متاسفانه به دلیل اینکه نوترینو‌ها ذرات بنیادی بسیار پرانرژی هستند، ممکن است گزینه‌ی خوبی برای توضیح ماده‌ی تاریک نباشند. اما اکسیون‌ها در حال حاضر در خط مقدم تحقیقات ماده‌ی تاریک قرار دارند.
کاپلان در این مورد می‌گوید: «با وجود اینکه محققان از هرکدام از این کاندیدها به طرز مبالغه‌آمیزی دفاع می‌کنند، من شخصاً طرفدار همه‌ی آن‌ها در درجات مختلف هستم. اما ممکن است ما قسمت بزرگی از صورت مسئله را از دست داده باشیم».
شاندرا نیز روی نامزدهای جدیدی برای کاربرد در توصیف ماده‌ی تاریک کار کرده است. او معتقد است مطالعه‌ی خواص منحصر‌به‌فرد سیاهچالههایی که می‌توانیم شناسایی کنیم، ممکن است نشان دهد که در واقع برخی از آن‌ها توسط چیزهای مرموز و مخفی تشکیل شده‌اند. نظریه‌ی او بر این اساس است که مانند مدل استاندارد مواد معمولی که به‌طور گسترده پذیرفته شده است، ماده‌ی تاریک نیز مدل شیمیایی خاص خود را دارد؛ با این معنا که ماده‌ی تاریک قادر به ترکیب برای تشکیل اتم‌ها، سرد شدن و شرکت در سایر واکنش‌ها است. همچنین از دید نظری امکان دارد به سیاهچاله سقوط کند.
شاندرا می‌گوید:
اگر ماده‌ی تاریک بتواند سرد شود، یعنی داخلش چیزی شبیه هیدروژن دارد. در نتیجه در برخی نواحی می‌تواند اشیاء متراکم تشکیل دهد.
سیاهچالههایی که از ماده‌ی تاریک نشأت گرفته‌اند، احتمالا از حد پایینی که دانشمندان برای ابعاد سیاهچاله در نظر گرفته‌اند (حد چاندراسخار) کوچکتر است. شاندرا می‌گوید: «به‌دلیل اینکه این حد معمولا براساس جرم پروتون محاسبه شده است، اگر شما مدل ماده‌ی تاریکی بسیار شبیه به مدل استاندارد داشته باشید (با این تفاوت که پروتون سنگین‌تر است)، سیاهچاله می‌توانند بسیار کوچکتر باشند. این موضوع رابطه‌ی معکوس دارد».
اگرچه کشف یک سیاه‌چاله‌ی کوچک می‌تواند تحقیقات شاندرا را به کلی اثبات کند، به گفته‌ی او یافتن ردپای یک سیاه‌چاله‌ی حاصل از ماده‌ی تاریک نیز کافی خواهد بود. این سیاهچاله می‌تواند ناشی از عواقب فرایند‌های خنک‌کننده تاریک باشد. جالب است بدانید که اگر به این روند حاضر ادامه دهیم و دنبال پیدا کردن چیزی نباشیم، در واقع ماهیت ماده‌ی تاریک را محدود کرده‌ایم.
حتی اگر ما هرگز نتوانیم جواب این معما پیدا کنیم و سیاهچالههای هم‌اندازه اتم که به سطح ماه اصابت کرده‌اند نیز راه‌گشا نباشند، مأموریت ماده‌ی تاریک تا پایان جهان ادامه خواهد داشت. تا آن زمان، کیهان مطابق با جدول زمانی خطی خود جلو خواهد رفت. سرانجام مدت‌ها پس از منقرض شدن بشر، روزی فرا خواهد رسید که تمام ستارگانش خواهند مرد، دیگر سیاره‌ای وجود نخواهد داشت، سیاهچالهها فضا را به وحشت نخواهند انداخت و همه‌چیز درست به اندازه ماده‌ی تاریک نامرئی خواهد بود.
کیهان سیاهچالههایی به ابعاد اتم، که ردپای آن‌ها احتمالا در ماه وجود دارد، را در خود اسکان داده است. این سیاهچالههای میکروسکوپی احتمالا به معمای ماده‌ی تاریک پایان می‌دهند.