چگونگی پیدایش ماده تاریک؛ امکان ارزیابی نظریه بحث‌برانگیز هاوکینگ به‌کمک تلسکوپ فضایی جیمز وب فراهم می‌شود
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که ممکن است به‌زودی بتوانیم یکی از نظریه‌های بحث‌برانگیز استیون هاوکینگ را آزمایش کنیم. در دهه‌ی ۱۹۷۰، هاوکینگ این موضوع را مطرح کرد که ممکن است ماده‌ی تاریک، ماده‌ی نامرئی تشکیل‌دهنده‌ی بخش عمده‌ی کیهان، از سیاه‌چاله‌هایی نشئت گرفته باشد که در اولین لحظات پس از مهبانگ (Big Bang) شکل گرفته‌اند.
پریاموادا ناتاراجان، اخترفیزیک‌دان دانشگاه ییل، یکی از نویسندگان این مطالعه، در بیانیه‌ای گفت:
به‌نظر من نکته‌ی هیجان‌انگیز این ایده آن است که واقعا چگونه دو مسئله‌ی چالش‌برانگیز، یعنی مطالعه‌ی ماهیت ماده‌ی تاریک و پیدایش سیاه‌چاله‌ها را یکپارچه می‌کند و به آن‌ها هم‌زمان پاسخ می‌دهد. علاوهبراین، ابزارهای جدیدی ازجمله تلسکوپ فضایی جیمز وب که به‌تازگی پرتاب شده است، می‌توانند داده‌های مورد‌نیاز برای ارزیابی نهایی نظریه‌ی شناخته‌شده‌ی هاوکینگ را فراهم کنند.
سیاه‌چاله‌هایی از ابتدای کیهان
ماده‌ی تاریک در‌کنارِ انرژی تاریک بیش از ۸۰ درصد از کل جهان را تشکیل می‌دهد. این در حالی است که به‌هیچ‌وجه با نور برهم‌کنش ندارد، فقط جرم دارد و بر گرانش درون کهکشان‌ها تأثیر می گذارد. بیانِ این موضوع که ممکن است سیاه‌چاله‌ها بتوانند معمای ماده‌ی تاریک را حل کنند، وسوسه‌انگیز است. با‌‌‌توجه‌‌‌به اینکه سیاه‌چاله‌ها بسیار تاریک هستند، از نظر تئوری، «پُرکردن کهکشان با سیاه‌چاله» می‌تواند همه‌ی مشاهدات مربوط به ماده‌ی تاریک را توجیه کند.
براساس دانش کنونی، سیاه‌چاله‌ها فقط پس از مرگِ ستاره‌های سنگین تشکیل می‌شوند. سپس زیر نیروی ناشی از گرانشِ خود فرو می‌پاشد. ازاین‌رو، برای تشکیل سیاه‌چاله به ستاره و درنتیجه، به ماده‌ی عادی نیاز است؛ ماده‌ای که تا الان با آن سروکار داشته‌ایم. دانشمندان به‌کمک محاسبات جهان اولیه، جایی که اولین هیدروژن و هلیوم در آن شکل گرفت، از مقدار ماده‌ی عادی موجود در جهان اطلاع دارند. به‌سادگی فهمیدنی است که برای تولید همه‌ی ماده‌ی تاریکی که ستاره‌شناسان تاکنون مشاهده کرده‌اند، مقدار کافی از ماده‌ی عادی وجود ندارد.
غول‌های خفته
اینجا است که هاوکینگ وارد میدان می‌شود. در سال ۱۹۷۱، او بیان کرد که سیاه‌چاله‌ها در محیط پرهرج‌و‌مرجِ اولین لحظات مهبانگ شکل گرفته‌اند. در آن شرایط، توده‌های ماده می‌توانستند خود‌به‌خود به چگالی مورد‌نیاز برای تشکیل سیاه‌چاله برسند و پیش از متولد‌شدنِ اولین ستاره‌ها، کیهان را غرق در انبوهی از سیاه‌چاله کنند.
هاوکینگ اشاره کرد که ممکن است «سیاه‌چاله‌های نخستین» ارتباط معناداری با ماده‌ی تاریک داشته باشند؛ اما با وجود طرح این ایده‌‌ی جذاب، بیشتر اخترفیزیک‌دانان به‌جای تمرکز بر آن، در پی یافتن ذره‌ی زیراتمی جدیدی برای توضیح ماده‌ی تاریک بودند.
علاوهبراین، مدل‌های مربوط به تشکیل سیاه‌چاله‌ی نخستین به چالشی اساسی برخوردند. اگر تعداد زیادی از آن‌ها در کیهانِ اولیه شکل گرفته باشد؛ پس حتما تابش باقی‌مانده از کیهان اولیه را تغییر داده‌اند که به آن تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB) گفته می‌شود. این یعنی نظریه‌ی یادشده تنها زمانی می‌تواند عمل کند که تعداد و اندازه‌ی سیاه‌چاله‌های اولیه نسبتا محدود باشد؛ در‌غیر‌این‌صورت، با اندازه‌گیری‌های CMB در تضاد است.
این ایده در سال ۲۰۱۵ باردیگر بر سر زبان‌ها افتاد؛ زمانی که رصدخانه‌ی امواج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری موفق به اولین آشکارسازی برخوردِ یک جفت سیاه‌چاله شد. جفت سیاه‌چاله‌ای که بسیار سنگین‌تر از حد انتظار بودند و یکی از راه‌ها برای توجیه جرم زیادشان این بود که باید در اولین روزهای کیهان شکل گرفته باشند؛ نه در قلب ستاره‌های در حال مرگ.
راه‌حلی ساده
در جدیدترین تحقیقات، ناتاراجان به‌همراه نیکو کاپلوتی از دانشگاه میامی و گونتر هاسینگر در آژانس فضایی اروپا، نظریه‌ی سیاه‌چاله‌های نخستین را بررسی کردند. در این بررسی، آنان تلاش کردند راه‌حلی برای چگونگی توضیح ماده‌ی تاریک و سایر چالش‌های کیهانی بیابند.
برای اینکه آزمایش‌های رصدی کنونی به‌درستی صورت گیرد، جرم سیاه‌چاله‌های اولیه باید در بازه‌ی خاصی قرار داشته باشد. در این مطالعه، محققان فرض کردند که جرم سیاه‌چاله‌های اولیه حدود ۱/۴ برابر جرم خورشید است. در مدلی که این پژوهشگران ارائه کرده‌اند، کل ماده‌ی تاریک موجود در کیهان با این سیاه‌چاله‌ها جایگزین شده است. سپس برای تأیید یا رد مدل پیشنهادی خود، به‌دنبال سرنخ‌هایی در مشاهدات خود بودند.
تلسکوپ فضایی جیمز وب همراه با LISA داده‌های مهمی برای کشف منشأ جهان ارائه خواهند داد
این پژوهشگران دریافتند که امکان دارد سیاه‌چاله‌های اولیه ازطریق کاشت بذر ِاولین ستاره‌ها و اولین کهکشان‌ها و اولین سیاه‌چاله‌های فوق‌سنگین نقش مهمی در جهان ایفا کنند. مشاهدات نشان می‌دهد که «پیدایش» ستاره‌ها و کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌های فوق‌سنگین در تاریخ کیهان‌شناسی بسیار سریع صورت می‌گیرد؛ بسیار سریع‌تر از آنکه بشر با دانش امروزی و اندکِ خود، بتواند چگونگی آن را به دقت بررسی کند.
ناتاراجان در‌این‌باره گفت:
اگر سیاه‌چاله‌های اولیه وجود داشته باشند، می‌توان آن‌ها را مانند بذرهایی دانست که تمام سیاه‌چاله‌های فوق‌سنگین، ازجمله سیاه‌چاله‌ی واقع در مرکز کهکشان راه شیری از آن نشئت گرفته‌اند. این نظریه ساده است و برای توضیح ماده‌ی تاریک به انبوهی از ذرات زیراتمی جدید نیاز ندارد.
کاپلوتی در بیانیه‌ای گفت:
مطالعه‌ی ما نشان می‌دهد که بدون معرفی ذره‌ی جدید یا فیزیک جدید، می‌توان اسرار کیهان‌شناسی مدرن، از ماهیت ماده‌ی تاریک تا منشأ سیاه‌چاله‌های فوق‌سنگین را رمزگشایی کرد.
آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA)
این ایده تاکنون، تنها یک مدل است؛ اما صحتش می‌تواند به‌زودی آزمایش شود. تلسکوپ فضایی جیمز وب که به‌تازگی پس از سال‌ها تأخیر به فضا پرتاب شد، به‌طور خاص برای پاسخ به پرسش‌های مرتبط با منشأ ستاره‌ها و کهکشان‌ها طراحی شده است.
نسل بعدی آشکارسازهای امواج گرانشی، به‌ویژه آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA)، برای جمع‌آوری داده‌های بیشتر درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها، ازجمله سیاه‌چاله‌های اولیه در حال آماده‌سازی است. همکاری‌های آینده بین تلسکوپ فضایی جیمز وب و LISA اطلاعات کافی دراختیار ستاره‌شناسان قرار خواهد داد تا درنهایت، معمای پیدایش اولین ستاره‌ها و منشأ ماده‌ی تاریک رمزگشایی شود.
به‌تازگی، سه ستاره‌شناس نظریه‌ای ارائه کرده‌اند که نه‌تنها هویت ماده‌ی تاریک، بلکه نحوه‌ی پیدایش بزرگ‌ترین سیاه‌چاله‌های جهان را توضیح می‌دهد.