9 دقیقه
تصور کنید مرکز کهکشان ما بدون افق رویداد باشد — هیچ نقطهای از بازگشتناپذیری، هیچ نوری که بلعیده شود. عجیب است، مگر نه؟ دهههاست که اخترشناسان برای توضیح گرانش بسیار شدید در قلب راه شیری به یک تفسیر جمعوجور اشاره کردهاند: یک سیاهچاله ابرپرجرم به نام کمان ای (Sagittarius A*) که وزنی در حدود چهار میلیون برابر خورشید دارد. اما یک مطالعهٔ تازه ما را به گسترش این دیدگاه تشویق میکند. اگر جرمی که از حرکت ستارگان مدارگرد استنباط میکنیم، یک تکینگی فروخوردنی نباشد بلکه یک تودهٔ فشرده و بدون افق از مادهٔ تاریک باشد، چه؟
دادههایی که به تعبیر سیاهچاله انجامیدند ساده و چشمگیرند: ستارگان نزدیک مرکز کهکشان در مدارهایی تنگ و سریع گردش میکنند. اگر مسیر آنها را دنبال کنید، پتانسیل گرانشی آن ناحیه را نگاشت میکنید. ستارهٔ S2، با مدار بیضیشکل و دورهٔ شانزده سالهاش، حکم لوحِ رمزی را داشته است. حرکتهای این ستاره که با دقت بسیار بالا اندازهگیری شدهاند، به یک جرم فشرده اشاره دارند که در همان نقطهای قرار دارد که انتظار میرود Sgr A* باشد. در سال 2022، تلسکوپ افق رویداد (Event Horizon Telescope) با تصویری که شبیه سایهٔ سیاهچاله بود، جلوهٔ بصری اضافه کرد. قانعکننده است. قابل استناد است. اما لزوماً منحصر بهفرد نیست.
تصویر تلسکوپ افق رویداد از کمان ای (Sagittarius A*).
فرمیونها، فشارِ شبهِ تجزیه، و نوعی هستهٔ متفاوت
مادهٔ تاریک داربست نامرئی هستی است. در نور نمیدرخشد و نور را به شکل قابلاندازهگیری جذب نمیکند، اما کشش گرانشی آن شکلگیری کهکشانها را تعیین کرده و در مقیاسهای بزرگ نور را خم میکند. در اغلب مدلهای مادهٔ تاریک، این ماده در قالب هالهٔ گستردهای پیرامون کهکشانها توزیع شده است. اما همهٔ نظریهها پراکنده نیستند. یک دستهٔ خاص — مادهٔ تاریک فرمیونی — ذراتی را پیشنهاد میدهد که از اصل طرد پائولی (Pauli exclusion principle) پیروی میکنند؛ قاعدهٔ کوانتومی که مانع از آن میشود که فرمیونهای یکسان در همان حالت کوانتومی بنشینند. پیامد این قانون چیست؟ شکلگیری نوعی فشارِ «تراکمِ کوانتومی» یا «فشارِ تجزیه» که در کوتولههای سفید و ستارههای نوترونی شناختهشده است و میتواند یک پیکربندی فشرده و پایدار را متشکل از ذرات تاریک پایدار نگه دارد.
با انتخاب مناسب جرم ذرات و پارامترهای برهمکنش آنها، مادهٔ تاریک فرمیونی میتواند به هستهای فوقمتراکم چگال شود که تأثیر گرانشیاش در بازهای که مشاهدات کنونی به آن دسترسی دارند، شبیه تأثیر یک سیاهچاله عمل کند. نکتهٔ کلیدی این است که چنین هستهای فاقد افق رویداد خواهد بود. نور همچنان میتواند فرار کند، اما مسیر آن، زاویهٔ تابش و جلوهٔ تصویریِ گازِ در حال همریزش (آکریشن) ممکن است در مقایسه با حالت سیاهچاله تفاوتهای ظریف اما قابلتشخیصی نشان دهد. این تفاوتها میتواند شامل تغییر در ساختار حلقهٔ فوتونی، جزئیات سایهٔ مرکزی و الگوهای فوریهٔ تابشِ فلرها باشد.
از منظر فیزیکِ ذرات و کیهانشناسی، مدلهای فرمیونی با بازهٔ وسیعی از جرمهای ذرهای و نوع برهمکنشها سازگارند: از فرمیونهای سنگینتر نسبت به نوترینو تا انواع سبکتر با برهمکنشهای ضعیف. هر انتخاب پارامتری، مقیاس هستهٔ ممکن، چگالی مرکزی و شعاع مؤثر را تعیین میکند؛ پارامترهایی که میتوانند با مشاهدات مدار ستارگان، تابش فروسرخ و تصویربرداری میلیمتری محدود شوند. به عبارت دیگر، نظریهٔ هستهٔ فرمیونی قابل آزمایش و واجد پیامدهای مشاهداتی مشخصی است که آن را از چارچوب کلیِ صرفاً فرضی جدا میکند.
چگونه ستارگان و تلسکوپها این ایده را آزمایش میکنند
والنتینا کریسپی و همکارانش ناحیهٔ مرکزی کهکشان راه شیری را با فرض وجود یک هستهٔ فرمیونی فشرده بهعنوان جرم مرکزی مدلسازی کردند و حرکتهای پیشبینیشدهٔ ستارگان را با مشاهدات مربوط به S2 و چندین ستارهٔ دیگر از گروه «S» مقایسه نمودند. نتیجه چه بود؟ هم مدلِ سیاهچاله و هم مدلِ هستهٔ تاریک مدارهای ستارهای را با تقریباً همان دقت بازتولید میکنند. این بدین معنا نیست که وجود هستهٔ تاریک اثبات شده است؛ بلکه نشان میدهد که در اندازهگیریهای کنونی یک نقطهٔ کور وجود دارد: مشاهدات ضروری هستند اما هنوز قطعی نیستند.
یک مدرک تکمیلی اما جذاب نیز وجود دارد. نقشهٔ حرکت ستارگان که مأموریت گایا (Gaia) ارائه میدهد نشان میدهد سرعت چرخش کهکشان در مرزهای بیرونی به گونهای کاهش مییابد که با یک افت کپلری (Keplerian) همخوانی دارد. پژوهشگران استدلال میکنند که یک هالهٔ فرمیونی وسیع که پیوستگیای با هستهٔ مرکزی متراکم دارد میتواند بهطور طبیعی چنین منحنی سرعتی را تولید کند — یعنی هسته و هاله بهسان دو جلوهٔ یک مادهٔ تاریک واحد تلقی میشوند. اگر این برداشت درست باشد، تغییر مفهومیای رخ داده: جسم مرکزیِ پرجرم و هالهٔ تاریکِ گسترده جداگانه نیستند، بلکه بخشی از یک توزیع یکپارچهاند که با قوانین فیزیکی مشابهی هدایت میشوند.
این ادعا بیاهمیت نیست. همانطور که کارلوس آرگولِس، اخترفیزیکدان مؤسسهٔ اخترفیزیک لا پلاتا اشاره میکند: «ما تنها سیاهچاله را با یک شیء تاریک جایگزین نمیکنیم؛ بلکه پیشنهاد میدهیم که شیء ابرپرجرم مرکزی و هالهٔ مادهٔ تاریک کهکشان دو تجلی از همان مادهٔ پیوستهاند.» این تعبیر دقیق انتخاب شده است؛ زیرا این فرضیه را بهعنوان اقتصاد در توضیح مطرح میکند تا یک جایگزین ساختگی.
آزمایش نهایی از کجا خواهد آمد؟ یک مسیر، بهبود ستارهسنجی (آسترومتری) است. اگر بتوانیم ستارگانی را که حتی از S2 به مرکز نزدیکتر میچرخند ردیابی کنیم، جابهجاییهای ظریف نقطهٔ حضیض (پرایسنتر) یا انحرافات کوچک از مدارهای پیشبینیشده میتواند آشکار کند آیا جرم مرکزی دارای افق بلعنده است یا سطحی که فشار آن را نگه میدارد. مسیر دیگر، تصویربرداری با رزولوشن بالاتر است. کار تلسکوپ افق رویداد به پایان نرسیده؛ تصاویر با دقت بالاتر ممکن است حلقهٔ فوتونی مشخص و الگوی سایهای را نشان دهند که علامتهای نورِ گرفتار شده در نزدیکی افق رویداد هستند. در مقابل، هستهٔ بدون افق ممکن است آن ویژگیها را تغییر دهد یا نرمتر کند.
همچنین آزمایشهای چندموجی (رصد در طولموجهای مختلف: فروسرخ، میلیمتری، رادیویی و پرتو-ایکس) و ردیابی رفتار گاز داغ در شعاعهای کوچک میتوانند تفاوتهایی را آشکار سازند: الگوهای همریزشی، تولید فلرها، و ساختار جتها همگی تحت تأثیر حضور یا عدم حضور یک سطح فیزیکی قرار میگیرند. مدلسازیِ جریان آکریسیون پیرامون یک سطح جامدِ فشرده نسبت به یک افق رویداد، پیشبینیهای متفاوتی برای تابشِ حرارتی و زمانبندی فلرها ارائه میدهد.
دیدگاه کارشناسی
«ما در آستانهٔ اندازهگیریهای قاطع هستیم»، میگوید دکتر لینا مورالس، اخترفیزیکدانی (نمونهٔ فرضی) و متخصص ابزار که روی اجرام فشرده مطالعه میکند. «تفاوت میان افق و سطح در جزئیات آشکار میشود: زمانبندی فلرها، ساختار ریزِ حلقهٔ فوتونی و رفتار گاز در نزدیک شدن به مرکز. هر مشاهده فضای مدلها را محدودتر میکند. اگر یک هستهٔ فرمیونی در برابر هر حد جدیدی قرار گیرد و همچنان با دادهها سازگار باشد، باید آن را جدی گرفت. در غیر این صورت، مدلِ سیاهچاله تخت پادشاهی خود را حفظ خواهد کرد.»
پیامدهای عملی فراتر از صرفِ دستهبندیاند. وجود یک جرم مرکزی بدون افق مدلسازی جریانهای آکریشنی، فرآیندهای آغاز جتها و بازخورد انرژی به بخشهای داخلی کهکشان را تغییر میدهد. پیشبینیهای مربوط به انتشار امواج گرانشی از الهامهای بسیار فشرده (extreme inspirals) دگرگون خواهد شد و محدودیتها بر ویژگیهای ذرات مادهٔ تاریک جابهجا خواهند شد. وزن این مسأله عظیم است، زیرا تعبیر جرم مرکزی به نحوی بازخوردی بر نحوهٔ مدلسازی شکلگیری و تکامل کهکشانها وارد میکند.
این بههیچوجه نباید به منزلهٔ انکار فیزیک سیاهچالهها خوانده شود. نسبیت عام پیشبینیِ سیاهچالهها را بهصورت محکمی ارائه میدهد. فرضیهٔ سیاهچاله همچنان سادهترین تطبیق با بسیاری از مجموعهدادههاست. کاری که مدلهای هستهٔ فرمیونی انجام میدهند، گسترش مجموعهٔ توضیحات فیزیکی قابلقبول است و خواستار دادههای دقیقتری میشود: مدارهای ستارهای نزدیکتر، تصویربرداری میلیمتری با رزولوشن بالاتر، و بررسیهای عمیقتر منحنیهای چرخشی کهکشان.
ما در عصری سرشار از داده زندگی میکنیم. ابزارها بهتر میشوند؛ گایا نقشهٔ راه شیری را پالایش خواهد کرد؛ EHT به دنبال جزئیات دقیقتر خواهد رفت؛ و تداخلسنجهای فروسرخ ستارگان را حتی نزدیکتر به مرکز پیگیری خواهند کرد. در عرض یک یا دو دهه، تفاوت میان افق رویداد و یک هستهٔ تاریک فشرده ممکن است دیگر فلسفی نباشد و تبدیل به یک حقیقت مشاهداتی — به یک صورت یا صورت دیگر — شود.
تا آن زمان، راه شیری راز خود را محفوظ نگه میدارد. اما هر چه بیشتر نگاه کنیم، احتمال بیشتری وجود دارد که دریابیم آیا موتور مرکزی یک «ستارهٔ نامرئی از فرمیونهای تاریک» است یا یک سوراخِ همهچیزخوار. هر کدام از این نتایج، تصویر ما از کهکشانها و مادهٔ تاریک را بهنوعی بازتغییر خواهد داد و در دهههای آینده مباحثی جدید در اخترفیزیک و کیهانشناسی پدید خواهد آورد.
منبع: sciencealert
نظرات
آسمانگرد
من روی شبیهسازیهای آکریشن کار کردهم، فرق سطح یا افق تو الگوها واقعی هست، جزئیات خیلی مهمن، اگه دادهها بیان خیلی هیجانزده میشم
داونیکس
بهنظرم معقول میاد، ولی اگه سطح باشه فلرها و زمانبندیها باید فرق کنن، منتظر EHT و گایا بهترم
کوینپیل
خیلی خوشخیالی نکنیم؛ نسبیت عام و سیاهچاله سادهترین توضیحن. مقاله ایدهمحوره ولی شواهد فعلی کمعمقن، hype تا حدی
مهرداد
ایدهٔ اتحاد هسته و هاله جذابه و عقلانیه. اما باید صبر کنیم برای دادههای بهتر؛ چند سال آینده تعیینکنندهست.
استروزت
آیا این واقعا قابل تشخیصه؟ ابزارها هنوز اون دقت ندارن یا دارن؟ ابهام مونده، خصوصا برای S2 و تصاویر EHT
رودایکس
وااای، یعنی ممکنه مرکز راه شیری یه توپ تاریک باشه که نور رو نمیبلعه؟ ذهنم ذرهذره منفجر شد… چه تصویر عجیبی!
ارسال نظر