دانشمندان تکنیک جدیدی توسعه دادهاند که میتواند برخورد سیاهچالهها را به آشکارسازهای کیهانی برای ماده تاریک تبدیل کند و نشانههای ضعیف پنهانشده در درون امواج گرانشی را آشکار سازد. اعتقاد بر این است که ماده تاریک بخش اعظم ماده موجود در جهان را تشکیل میدهد، با این حال به نظر میرسد که تنها از طریق گرانش با ماده معمولی تعامل دارد.
دانشمندان فکر میکنند اگر دو سیاهچاله در حین حرکت در یک منطقه متراکم و پر از ماده تاریک با یکدیگر برخورد کنند، امواج گرانشی حاصل از این رویداد میتواند حاوی نشانههای ظریفی از آن ماده نامرئی باشد. پژوهشگران اکنون بر این باورند که این نشانهها ممکن است در امواج گرانشی اندازهگیریشده روی زمین قابل شناسایی باشند.
تیمی از دانشگاه MIT و چندین موسسه اروپایی روشی را برای پیشبینی تفاوت امواج گرانشی در حالتی که سیاهچالههای ادغامشونده به جای فضای خالی، از میان ماده تاریک عبور کنند، توسعه دادند. آنها این روش را با استفاده از دادههای در دسترس عموم که توسط شبکه بینالمللی رصدخانههای LVK (شامل لایگو، ویرگو و کاگرا) جمعآوری شده بود، آزمایش کردند؛ شبکهای که امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاهچالهها و دیگر رویدادهای کیهانی دوردست را شناسایی میکند.
محققان سیگنالهای ثبتشده در طول سه دوره اول رصد شبکه LVK را تجزیه و تحلیل کردند. در میان ۲۸ رویدادِ شفاف و واضحتر، ۲۷ مورد با پیشبینیهای مربوط به ادغام سیاهچالهها در فضای خلاء مطابقت داشتند. اما یک سیگنال به نام GW190728، شواهدی احتمالی از تأثیر ماده تاریک را نشان داد.
این تیم تأکید میکند که این اتفاق به معنای کشف قطعی ماده تاریک نیست. در عوض، این روش راه جدیدی را برای جستجوی نشانههای بالقوه در دادههای امواج گرانشی ارائه میدهد که بعداً میتوان آنها را با مطالعات بیشتر مورد آزمایش قرار داد.
«جوسو آورکوتکسیا» (Josu Aurrekoetxea)، محقق پسادکتری در دپارتمان فیزیک MIT میگوید:
ما میدانیم که ماده تاریک در اطراف ما وجود دارد؛ فقط باید به اندازه کافی متراکم باشد تا بتوانیم اثراتش را ببینیم. سیاهچالهها مکانیزمی را برای افزایش این چگالی فراهم میکنند و ما اکنون میتوانیم با تحلیل امواج گرانشی ساطعشده در هنگام ادغام آنها، به دنبال این اثرات بگردیم.
آورکوتکسیا و همکارانش یافتههای خود را در ژورنال معتبر Physical Review Letters منتشر کردند. این مطالعه همچنین شامل حضور «سومن روی» از دانشگاه کاتولیک لوون بلژیک (عضو LVK)، «رودریگو ویسنته» از دانشگاه آمستردام، «کیتی کلاف» از دانشگاه کوئین مری لندن و «پدرو فریرا» از دانشگاه آکسفورد بود.
چرا ماده تاریک همچنان تا این حد گریزپا است؟
ماده تاریک یکی از بزرگترین اسرار فیزیک باقی مانده است. برخلاف ماده معمولی، این ماده با نور یا دیگر اشکال انرژی الکترومغناطیسی تعامل ندارد و این امر آن را عملاً نامرئی میکند. دانشمندان تنها از طریق نیروی گرانش میتوانند به وجود آن پی ببرند.
اخترشناسان اولین بار در حین مطالعه چگونگی خم شدن نور توسط گرانش در اطراف کهکشانها (اثری که همگرایی گرانشی نامیده میشود)، به وجود ماده تاریک مشکوک شدند. ماده مرئی موجود در کهکشانها به تنهایی نمیتواند این اعوجاجها را توجیه کند و این امر محققان را به این نتیجه رساند که شکل نادیدهای از ماده نیز باید وجود داشته باشد. برآوردهای فعلی نشان میدهد که ماده تاریک میتواند بیش از ۸۵ درصد از کل ماده جهان را تشکیل دهد.
یکی از نظریههای پیشرو پیشنهاد میکند که ماده تاریک ممکن است از ذرات بسیار سبکی به نام ذرات «اسکالر سبک» تشکیل شده باشد. در نزدیکی سیاهچالهها، این ذرات ممکن است نه تنها مانند ماده، بلکه مانند امواج رفتار کنند.
دانشمندان پیشبینی میکنند که وقتی این امواج با یک سیاهچاله در حال چرخش سریع برخورد میکنند، سیاهچاله میتواند بخشی از انرژی چرخشی خود را به ماده تاریک منتقل کند. این فرآیند که به عنوان «ابرتابش» (Superradiance) شناخته میشود، میتواند چگالی ماده تاریک اطراف سیاهچاله را به شدت افزایش دهد.
در چگالیهای به اندازه کافی بالا، آن ماده تاریک میتواند ردهای قابل تشخیصی را در امواج گرانشی تولیدشده هنگام ادغام سیاهچالهها بر جای بگذارد.
شبیهسازی امواج گرانشی در ماده تاریک
اما این ردپا دقیقاً چه شکلی خواهد بود؟ و آیا چنین اثری در امواج گرانشی که از سیاهچالههای ادغامشده در میلیونها سال نوری دورتر به زمین میرسند، قابل شناسایی است؟
برای پاسخ به این سوالات، آورکوتکسیا و همکارانش مدلی را برای پیشبینی «شکل موج گرانشی» (الگویی از امواج گرانشی که دو سیاهچاله تولید میکنند) توسعه دادند تا تفاوت برخورد در یک محیط دارای ماده تاریک را نسبت به برخورد در خلاء (فضای خالی و بدون ماده تاریک) مقایسه کنند.
تیم تحقیق برای این مطالعه جدید، شبیهسازیهای عددی دقیقی انجام داد تا موج گرانشی تولیدشده بر اساس ویژگیهای مختلف دو سیاهچاله در حال برخورد (سیستمی که به عنوان «سیاهچاله دوتایی» شناخته میشود) را پیشبینی کند. آنها دوتاییهای سیاهچاله را در طیف وسیعی از سناریوها و ویژگیها در نظر گرفتند؛ به عنوان مثال، تغییر اندازه و جرم هر سیاهچاله، محیط ماده تاریکی که سیاهچالهها ممکن است از آن عبور کنند و چگالی ماده تاریکی که سیاهچالهها به دور آن میچرخند.
آنها مدل را طوری طراحی کردند که پیشبینی کند یک موج گرانشی از یک سیاهچاله دوتایی در صورت داشتن ردپای ماده تاریک چه شکلی خواهد بود و علاوه بر این، آن موج در صورت طی کردن مسافت مشخصی در فضا و زمان برای رسیدن به آشکارساز روی زمین، چطور به نظر میرسد.
آنها با مدل خود بررسی کردند که آیا هیچیک از سیگنالهای موج گرانشی کشفشده روی زمین با الگوهای پیشبینیشده آنها از ردپای ماده تاریک مطابقت دارد یا خیر. برای این کار، آنها مدل را روی دادههای عمومی ثبتشده توسط LVK در طول سه دوره اول فعالیت این رصدخانهها اعمال کردند. این رصدخانهها صدها سیگنال موج گرانشی را در این دوره ثبت کردهاند. محققان برای اهداف خود روی شفافترین سیگنالها، شامل امواج گرانشی حاصل از ۲۸ رویداد مجزا، تمرکز کردند.
برای هر رویداد، تیم الگوی موج گرانشی واقعی را با مدل خود مقایسه کرد تا ببیند اگر سیگنال توسط همان رویداد در محیطی از ماده تاریک ایجاد شده بود، چه شکلی میشد. آنها همچنین موج گرانشی را با سناریوی مورد انتظارتر (تولید سیگنال در خلاء) مقایسه کردند.
یک سیگنال متمایز میشود!
از ۲۸ سیگنال شفافی که آنها تجزیه و تحلیل کردند، ۲۷ مورد کاملاً در چارچوب پیشبینیهای مربوط به تولید در خلاء بودند. با این حال، الگوی یک رویداد به نام GW190728، یک «ترجیح» یا همخوانی با مدل ماده تاریک تیم نشان داد. به عبارت دیگر، این سیگنال ممکن است حاوی ردپایی از ماده تاریک باشد.
سیگنال GW190728 یک موج گرانشی است که نام آن برگرفته از تاریخ کشف آن یعنی ۲۸ ژوئیه ۲۰۱۹ (۶ مرداد ۱۳۹۸) است. دانشمندان قبلاً تعیین کرده بودند که این موج گرانشی از یک سیاهچاله دوتایی با جرمی در حدود ۲۰ برابر جرم خورشید سرچشمه گرفته است. این تیم با مدل خود نشان داد که چنین سیستمی میتوانست از میان یک توده متراکم از ماده تاریک ادغام شود و موج گرانشی مشابهی با GW190728 تولید کند.
آورکوتکسیا میگوید:
اهمیت آماری این موضوع آنقدر بالا نیست که بتوان ادعای کشف قطعی ماده تاریک را داشت و باید بررسیهای بیشتری توسط گروههای مستقل انجام شود. آنچه به نظر ما مهم است برجسته شود این است که بدون مدلهای شکلِ موجی مانند مدل ما، ممکن است ادغام سیاهچالهها را در محیطهای ماده تاریک شناسایی کنیم، اما آنها را به طور سیستماتیک به عنوان رویدادهای رخداده در خلاء دستهبندی کنیم.
«سومن روی»، نویسنده همکار که بخش تحلیل دادهها را رهبری میکرد، میگوید:
با ادامه جمعآوری دادهها توسط آشکارسازهای LVK در سالهای آینده، ما اکنون پتانسیل کشف ماده تاریک در اطراف سیاهچالهها را داریم. زمان هیجانانگیزی برای جستجوی فیزیک جدید با استفاده از امواج گرانشی است.
رودریگو ویسنته، نویسنده همکار دیگر که مدل تحلیلی سیگنال را توسعه داده است، میافزاید:
استفاده از سیاهچالهها برای جستجوی ماده تاریک فوقالعاده خواهد بود. ما میتوانیم ماده تاریک را در مقیاسهایی بسیار کوچکتر از هر زمان دیگری کاوش کنیم.
منبع: Scitechdaily
