ردپای ستارههای تاریک در امواج گرانشی
بیگ بنگ: یک مطالعه جدید نشان میدهد آرایههای زمانسنجی تپاخترها میتوانند به دانشمندان کمک کنند تا راز شکلگیری نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم کیهان را کشف کنند.
پسزمینهای ضعیف از امواج گرانشی با فرکانس بسیار پایین که با رصد شبکههایی از تپاخترها شناسایی شده، ممکن است سرنخهایی از رویدادهایی را در خود حفظ کرده باشد که بیش از ۱۳ میلیارد سال پیش آغاز شدهاند. یکی از این سرنخها میتواند به فرآیندهایی مربوط باشد که نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم کیهان را به وجود آوردند.
سوهان گودلا و کازمین ایلی از دانشگاه کولگیت در مطالعهای که بتازگی منتشر شده، این احتمال را بررسی کردهاند. هدف آنها این بود که مشخص کنند آیا سیاهچالههای ابرپرجرمی که در کیهان اولیه شکل گرفتهاند، میتوانند بخش قابلتوجهی از پسزمینه امواج گرانشی را که امروزه توسط آرایههای زمانسنجی تپاخترها (PTA) شناسایی میشود، ایجاد کرده باشند یا نه.
این پژوهش دو مشاهده را که میلیاردها سال از یکدیگر فاصله دارند به هم مرتبط میکند: سیاهچالههای بسیار پرجرمی که زمانی دیده میشوند که کیهان هنوز جوان بوده، و امواج گرانشیای که بعدها بر اثر جفتشدن و ادغام سیاهچالههای ابرپرجرم ایجاد شدهاند.
یکی از احتمالات بیش از همه مورد توجه پژوهشگران قرار گرفت: بذرهای سیاهچالهای که از فروپاشی ستارههای تاریک ابرپرجرمِ فرضی به وجود آمدهاند، ممکن است سهم غالبی در سیگنال PTA داشته باشند که امروز مشاهده میکنیم.
کازمین ایلی میگوید: «آرایههای زمانسنجی تپاخترها معمولاً برای بررسی دوتاییهای سیاهچالههای ابرپرجرم در کیهان نسبتاً نزدیک به کار میروند؛ اما پژوهش ما نشان میدهد این سیگنال ممکن است اطلاعاتی درباره چگونگی شکلگیری نیاکان این سیاهچالهها در طلوع کیهانی نیز در خود داشته باشد.» به این ترتیب، امواج گرانشی که امروز شناسایی میکنیم میتوانند پنجرهای تازه به سوی تولد نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم باز کنند.
تپاخترها میتوانند منشأ سیاهچالههای باستانی را آشکار کنند
آرایههای زمانسنجی تپاخترها از تپاخترها استفاده میکنند؛ ستارههای نوترونی بسیار چرخانی که امواج رادیویی خود را با نظم فوقالعادهای ارسال میکنند و مانند ساعتهایی بسیار دقیق در سراسر آسمان عمل میکنند.
عبور امواج گرانشی از میان زمین و این تپاخترها میتواند تغییرات بسیار کوچکی در زمان رسیدن پالسهای رادیویی ایجاد کند. دانشمندان با رصد تعداد زیادی تپاختر طی سالها، شواهدی از یک پسزمینه تصادفی امواج گرانشی در فرکانسهای نانوهرتزی پیدا کردهاند.
توضیح اصلی برای این سیگنال، وجود جمعیت گستردهای از دوتاییهای سیاهچالههای ابرپرجرم است که بهتدریج به سمت ادغام شدن حرکت میکنند. سیاهچالههایی با جرمی بیش از حدود یک میلیارد برابر جرم خورشید، در فرکانسهایی که PTAها بررسی میکنند اهمیت ویژهای دارند. اما جرم عظیم آنها یک پرسش اساسی ایجاد میکند: این بذرهای اولیه سیاهچالهها چگونه در کیهان جوان شکل گرفتند؟
رصدخانههایی مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب و چاندرا سیاهچالههایی با جرم شگفتانگیز را در دورههای بسیار ابتدایی تاریخ کیهان شناسایی کردهاند؛ موضوعی که علاقه دانشمندان به سازوکارهایی را افزایش داده که بتوانند در مدت کوتاهی، بذرهای بسیار پرجرم ایجاد کنند.
بقایای ستارههای تاریک میتوانند عامل اصلی این سیگنال باشند
پژوهشگران بررسی کردند که آیا این بذرهای باستانی میتوانستهاند باقی بمانند، همراه با کهکشانهای خود رشد کنند، در نهایت با سیاهچالههای دیگر جفت شوند و میلیاردها سال بعد، پسزمینه امواج گرانشی امروزی را ایجاد کنند.
آنها دو مسیر احتمالی برای شکلگیری سیاهچالههای اولیه را بررسی کردند:
- سیاهچالههای حاصل از فروپاشی مستقیم
- سیاهچالههایی که از فروپاشی ستارههای تاریک ابرپرجرم به وجود آمدهاند
ستارههای تاریک، اجرامی فرضی هستند که ممکن است در کیهان اولیه شکل گرفته باشند و انرژی آنها عمدتاً از گرمایش ناشی از ماده تاریک تأمین میشده، نه همجوشی هستهای معمول در ستارگان.
در سناریوی ماده تاریک از نوع WIMP که در این مطالعه بررسی شده، این اجرام میتوانستهاند نسبتاً سرد و گسترده باقی بمانند و در عین حال به جذب ماده ادامه دهند. در نتیجه، برخی از آنها شاید تا جرمی معادل یک میلیون خورشید یا حتی بیشتر رشد کرده باشند و سپس به سیاهچالههای پرجرم فروپاشیده باشند.
ستارههای تاریک ممکن است بخش عمده سیگنال را ساخته باشند
گودلا و ایلی تکامل این سیاهچالهها را در طول تاریخ کیهان مدلسازی کردند؛ از جمله هالههای ماده تاریکی که آنها را احاطه میکنند، نرخ احتمالی ادغام آنها و امواج گرانشی حاصل از این ادغامها.
محاسبات آنها نشان میدهد اگر بقایای ستارههای تاریک ابرپرجرم با چگالی حدود ۱۰⁻³ در هر مگاپارسک مکعب وجود داشته باشند، سیاهچالههای حاصل از آنها میتوانند سهم بسیار بزرگی و حتی غالب در سیگنال PTA امروزی داشته باشند.
در مقابل، جمعیت سیاهچالههایی که از فروپاشی مستقیم شکل گرفتهاند، بسیار نادرتر در نظر گرفته میشوند؛ با چگالی حدود ۱۰⁻⁶ در هر مگاپارسک مکعب. بنابراین سهم آنها در پسزمینه امواج گرانشی پیشبینیشده بسیار کمتر است.
امواج گرانشی امروز میتوانند درباره بذرهای باستانی اطلاعات بدهند
یکی از نتایج مهم این پژوهش این است که اندازهگیریهای فعلی PTAها میتوانند همین حالا نیز حد بالایی برای تعداد بذرهای نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم تعیین کنند. گودلا توضیح میدهد اگر تعداد این بذرهای پرجرم بیش از حد باشد، امواج گرانشی بیشتری از مقدار مشاهدهشده تولید خواهد شد. اگر تعدادشان بیش از حد کم باشد، باید منابع دیگری وجود داشته باشند که در ادامه تاریخ کیهان به شکلگیری سریع سیاهچالههای ابرپرجرم کمک کرده باشند.
بر اساس مدلهای بررسیشده، چگالی بذرهایی در حدود ۱۰⁻² تا ۱۰⁻¹ در هر مگاپارسک مکعب میتواند پسزمینهای از امواج گرانشی ایجاد کند که از مقدار مجاز بر اساس مشاهدات بیشتر باشد.
این محدودیت بهشدت به جرم هالههای ماده تاریکی که این بذرها در آن شکل گرفتهاند، بستگی دارد. به این ترتیب، اندازهگیریهای PTA میتوانند حتی جمعیتهایی از اجرام را که در انتقالبهسرخهای بالاتر از ۱۰ وجود داشتهاند محدود کنند؛ آن هم در حالی که ادغامهایی که امواج گرانشی را ایجاد کردهاند، میلیاردها سال بعد رخ دادهاند.
محاسبات همچنین یافتههای قبلی را تأیید میکنند که بر اساس آنها، دوتاییهای سیاهچاله با جرم مجموع بیش از حدود یک میلیارد برابر جرم خورشید بیشترین سهم را در سیگنال پیشبینیشده PTA دارند، در حالی که سیاهچالههای کمجرمتر سهم بسیار کمتری ایجاد میکنند.
یک سرنخ تازه درباره تولد نخستین سیاهچالهها
این یافتهها ارتباطی میان فیزیک ماده تاریک، نخستین اجرام نورانی کیهان، منشأ سیاهچالههای ابرپرجرم و اخترشناسی امواج گرانشی ایجاد میکنند.
ایلی میگوید ستارههای تاریک در ابتدا بهعنوان اجرامی مطرح شدند که شاید بتوان آنها را مستقیماً در طلوع کیهانی مشاهده کرد؛ اما این پژوهش راه کاملاً متفاوتی برای بررسی نقش احتمالی آنها در تاریخ کیهان ارائه میدهد: بقایای این ستارهها ممکن است اثری از امواج گرانشی بر جای گذاشته باشند که تا امروز باقی مانده است.
با دقیقتر شدن اندازهگیریهای PTA و ترکیب آنها با اطلاعات بهتر درباره سیاهچالههای دوردست و کهکشانهای میزبانشان، دانشمندان شاید بتوانند میان نظریههای مختلف درباره چگونگی شکلگیری نخستین سیاهچالههای ابرپرجرم کیهان تمایز قائل شوند. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Physical Review D منتشر شده است.
سایت علمی بیگ بنگ / منبع: scitechdaily.com
لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=109951
