10 دقیقه
سایهای سرسخت در مرکز کهکشان ما هست که سادهسازیناپذیر است. طی سه دهه، پاسخ کوتاه این بوده که غولِ سیاهچالهای فرادِرشت به نام کماندار A* (Sagittarius A*) در آنجا حضور دارد — یک جرم فشرده و نامرئی که گرانشش ستارگان اطراف را به مدارهای بسیار باریک و با سرعتهای بسیار بالا میکشاند. اما اگر آن سایه را چیزی لطیفتر بهوجود بیاورد: هستهای فشرده از ماده تاریک عجیب که نیروی گرانشی یک سیاهچاله را تقلید میکند بدون اینکه افق رویداد داشته باشد؟
یک جایگزین رادیکال برای Sgr A*
ستارهشناسانی که مرکز کهکشان را زیر نظر دارند، سالهاست روی ستارگان «S» که گروهی از ستارگان با مدارهای نزدیک و بیضوی هستند حساب میکنند؛ این ستارگان مانند یک تست دینامیکی عمل میکنند. این ستارگان با سرعتهایی به مراتب بیش از هزاران کیلومتر بر ثانیه میدوند بهطوریکه تنها وجود جرم بسیار بزرگ و فشردهای میتواند آنها را در چنین مدارهای تنگی نگه دارد. بهطور سنتی این جرم با عنوان یک سیاهچالهٔ عظیم مرکزی توصیف شده است. اما تیمی بینالمللی از پژوهشگران بازیگر دیگری را پیشنهاد کردهاند: مادهٔ تاریک فرمیونی که در مرکز جمع شده و هستهای فوقفشرده تشکیل میدهد و در عین حال یک هالهٔ پراکندهتر در فواصل بزرگتر میسازد.
این ایده روی اصول فیزیک ذرات و گرانش بنا شده است. فرمیونها ذراتی هستند که از اصل طرد پاولی تبعیت میکنند — خانوادهٔ شناختهشدهٔ آنها شامل الکترونها و پروتونهاست — اما در این مدل فرمیونها فرضی و بسیار سبک هستند، یعنی ذرات مادهٔ تاریک با جرم کوچک و خاصیت کوانتومی قابلتوجه. تحت تأثیر گرانش، این فرمیونهای سبک میتوانند ساختاری دو بخشی تشکیل دهند: یک هستهٔ چگال و «تراز یافته» (degenerate) که گرانش مرکزی قوی تولید میکند و یک هالهٔ پیرامونی که منحنی سرعت چرخشی کهکشان را در مقیاسهای بزرگتر شکل میدهد. به عبارت دیگر، ممکن است یک مادهٔ تاریک پیوسته هم علت آشفتگی محلی ستارگان S باشد و هم علت شیب ملایم منحنی سرعت کهکشان در فواصل بزرگتر.
این یک اتحاد زیباست. به جای دو پدیدهٔ مجزا — یک سیاهچالهٔ جدا در نزدیکی و یک هالهٔ تاریک در مقیاس کیلواِپارسک — یک چارچوب یکپارچه بهدست میآید که مشاهدات کلیدی را بازتولید میکند. هستهٔ فرمیونی چگال میتواند نور را انحنا دهد و مسیرهای نوری را بهگونهای تغییر دهد که حرکات تولیدشده شبیه آنچه از یک سیاهچالهٔ کلاسیک انتظار میرود، باشند. حتی منابع موسوم به «G-sources» — اجرامی غبارآلود و درخشان در فروسرخ نزدیک مرکز — نیز میتوانند تحت تأثیر همان میدان گرانشی قرار گرفته و رفتارشان توضیح داده شود.
چطور مدل با ساختار کلی کهکشان سازگار میشود
تطبیق دینامیک مرکزی لازم است اما کافی نیست. یک مدل معتبر باید منحنی سرعت چرخشی کهکشان راهشیری را نیز بازتولید کند: چگونه سرعت مداری با فاصله از مرکز تغییر میکند. انتشار اخیر دادههای Gaia DR3 این نقشهٔ چرخشی را تیزتر کرده و نشان داده است که در شعاعهای بزرگتر کاهش سرعتها تا حد زیادی شبیه رفتار کپلری است. این کاهش دقیقاً همان نشانهای است که یک هالهٔ فرمیونی مختصرتر هنگام ترکیب با جرم روشن مرکزی (برآمدگی و دیسک کهکشانی) تولید میکند.
هالههای مادهٔ تاریک سرد مرسوم (CDM) معمولاً گسترده هستند و دنبالههای بلندی با شیب کند دارند که با توابع توان توصیف میشوند. جایگزین فرمیونی پیشبینی هالهای فشردهتر را میکند که در شعاعهای بزرگتر برش تیزتری دارد. وقتی تیم جرم درخشان کهکشان (ستارهها و گاز) را وارد محاسبات خود کرد و هالهٔ فرمیونی را افزود، منحنی سرعت نتیجهگرا بهشکلی بهدست آمد که با اندازهگیریهای Gaia سازگار بود.
این تطابق نقطهٔ قوت مقاله است: همان توزیع مادهٔ تاریک میتواند هم رفتارهای میکروسکوپی در مرکز و هم رفتارهای ماکروسکوپی در مقیاس کهکشانی را توضیح دهد. دکتر کارلوس ارگویلس، یکی از نویسندگان مقاله، این موضوع را ساده بیان کرد: حرکات روشن و پرشتاب نزدیک مرکز و کاهش ملایم سرعت در فواصل دور ممکن است دو روی یک ماده باشند، نه دو ساختار جداگانه.
از دیدگاه بررسی دادهها، این مدل مزایا و چالشهایی دارد: مزیت آن در سادگی نسبیِ توضیحِ همزمان پدیدههای داخلی و خارجی است، اما چالشها شامل تعیین پارامترهای دقیق جرم ذرهٔ فرمیون، تخمین توزیع فضایی آن، و بررسی سازگاری با مشاهدات دیگر مانند شکست گرانشی در مقیاسهای بزرگتر یا تابش پسزمینهٔ کیهانی است. برای مثال، جرم ذره و جمعیت تراز یافته باید در بازههایی باشند که ساختارِ هستهٔ فشرده را پایدار نگه دارند و همزمان با آزمایشهای ذرهای و محدودیتهای کیهانشناختی ناسازگار نباشند.
ردپاهای رصدی و سایهٔ سیاهچاله
شاید جنجالیترین ادعا این باشد که یک هستهٔ تاریک فشرده میتواند وقتی با یک دیسک برافزایشی روشن شده است، ویژگی شبیه سایه تولید کند. تصویر تلسکوپ افق رویداد (EHT) از Sgr A* — یک ناحیهٔ مرکزی کمنور که با تابشِ حلقوی احاطه شده است — بهعنوان مدرک مستقیم افق رویداد تبلیغ شده است. با این حال مدلسازیهای بعدی نشان میدهد که تمرکز فشردهٔ غیرنسبیتی مادهٔ تاریک نیز میتواند نور را بهقدری خم کند که یک تاریکی مرکزی محاط در یک حلقهٔ روشن پدید آید.
نویسندهٔ ارشد والنتینا کرِسپی به ظرافت ماجرا اشاره میکند: «ما صرفاً برچسبها را عوض نمیکنیم. پیکربندی فرمیونی مدارهای ستارهای را بازتولید میکند، با دادههای چرخشی تطابق دارد، و میتواند سایهای شبیه تصاویر EHT ایجاد کند. اینها تصادفات ساده نیستند.» اما مدلها در جزئیات قابل اندازهگیری متفاوتاند. یک سیاهچالهٔ حقیقی حلقههای فوتونی متراکم تولید میکند — مسیرهای باریکی از نور که بسیار لنز شدهاند و بسیار نزدیک به افق رویداد هستند — که باید حتی با افزایش کیفیت رصدی نیز پابرجا بمانند. سناریوی هستهٔ تاریک همان امضای حلقههای فوتونی را تولید نمیکند یا شکلِ آماری و ساختار زمانیِ متفاوتی خواهد داشت.
این تفاوت به رصدگران مسیر آزمون میدهد. ابزارهایی مانند GRAVITY روی رصدخانهٔ بسیار بزرگ (Very Large Telescope) و ارتقاءهای آیندهٔ EHT هدف خواهند داشت که حلقههای فوتونی را تفکیک کنند و ساختار ریزِ سایهٔ سیاهچاله را اندازهگیری کنند. اگر الگوی متمایز و تو در توی حلقههای فوتونی ظاهر شود، تفسیر سیاهچاله تقویت خواهد شد. اگر ظاهر نشود یا ناهنجاریهای دیگری پدیدار شود، فرضیهٔ هستهٔ فرمیونی تقویت میشود.
علاوه بر حلقههای فوتونی، سایر امضاهای رصدی نیز میتوانند مقایسهپذیر باشند: تغییرات زمانی تابش، رفتار پلاریزاسیون در اطراف سایه، طیف اندازهگیریشده از شعاعهای کوچک، و حرکتهای موضعی گاز و گردوغبار. یک هستهٔ فرمیونی ممکن است توزیع تراکم و سرعتهای آشفتهای تولید کند که با خروجیهای شبیهسازیهای هیدرودینامیکی ترکیب شود و در نتیجه نشانههایی منحصر به فرد از آشفتگی و فرایندهای برافزایشی نشان دهد که از حالت فولانِ سیاهچاله متفاوت است.
دیدگاه کارشناسان
«شکاکیت در این حوزه سالم است،» دکتر لیلا مورنو، اخترفیزیکدان نظری که با این مطالعه مرتبط نیست، میگوید. «نقطهٔ قوت این کار این نیست که ایدهٔ سیاهچاله را یکمرتبه نابود کند؛ بلکه این است که ما را وادار میکند مفروضاتی را که بر اساس آنها جرمهای فشردهٔ مرکزی را استنتاج میکنیم، بازبینی کنیم. اگر یک توزیع واحد از مادهٔ تاریک بتواند هر دو دینامیک داخلی و خارجی را حساب کند، باید آن را جدی بگیریم و مشاهداتی طراحی کنیم که این سناریوها را قاطعانه از هم تفکیک کنند.»
مدلسازان همچنین سریع به تبعات اشاره میکنند. اگر مادهٔ تاریک فرمیونی هستههای فشرده تشکیل دهد، آنگاه مراکز کهکشانها در سراسر تاریخ کیهانی ممکن است میزبان ساختارهای مشابهی بوده باشند. این مسأله پیشبینیها دربارهٔ تکامل کهکشانی، تعاملات جزر و مدی، و رشد اجسام مرکزی را بازنویسی میکند. همچنین میدانِ آزمایش برای فیزیک ذرات را محدود میکند: جرم لازم، خواص برهمکنش و تاریخچهٔ شکلگیری مادهٔ تاریک فرمیونی هدفهایی برای آزمایشهای آزمایشی و کیهانی خواهند شد.
از منظر کیهانشناسی، یکی از سوالات کلیدی این است که آیا تشکیل هستههای فرمیونی در مراحل اولیهٔ شکلگیری ساختار تناسب دارد یا مستلزم فرایندهای خاصی مانند فروپاشی ابتدایی یا تجمع تدریجی در هستهٔ کهکشان است. همچنین باید بررسی شود که این هستهها چگونه با سیگنالهایی مانند عدسی گرانشیِ میکرو و ماکرو یا دادههای سرعت کهکشانهای کوتوله سازگار هستند.
آیندهٔ پژوهش: چه چیزی در پیش است؟
مسیر رو به جلو رصدی است. تداخلسنجی با تفکیک بالاتر، آرایههای موج میلیمتری با پایههای طولانیتر، و اخترسنجی ستارهای دقیقتر مرزها را جابهجا خواهند کرد. GRAVITY میتواند حرکت ستارگان S را با دقت میکروثانیهٔ قوسی پیگیری کند و به دنبال انحرافات ظریف از مدارهای کپلری بگردد. تلسکوپ افق رویداد و شبکههای VLBI نسل بعدی به دنبال حلقههای فوتونی و زیرساختارهای زمانی متغیر در سایه خواهند گشت. در همین حال Gaia و نظرسنجیهای طیفی به محدودتر کردن منحنی سرعت بیرونی ادامه خواهند داد که هر مدل هالهای معتبر باید آن را بازتولید کند.
همزمان، نظریهپردازان باید مدلهای فرمیونی را پالایش کنند — بررسی پایداری، کانالهای شکلگیری، و چگونگی همزیستی چنین هستههایی با فرآیندهای باریونی (مادهٔ عادی) مانند شکلگیری ستاره، جریانهای گازی، و فیزیک برافزایش. تحلیل پایداریِ هسته تحت نوسانات، برهمکنش با صفاتِ مداریِ ستارگان، و تأثیر ورود و خروج جرم باریونی باید در شبیهسازیهای چندفیزیکی گنجانده شود تا اطمینان حاصل شود که این ساختارها در طول زمان عمر کهکشان را تحمل میکنند.
علاوه بر این، باید نقطهنظرات متفاوت در مورد جزئیات ذرات فرمیونی بررسی شود: آیا این ذرات باردار یا خنثی هستند؟ آیا برهمکنشهای خودی (self-interactions) دارند؟ جرم آنها در چه بازهای قرار میگیرد تا هم هستهٔ چگال و هم هالهٔ مناسب را تولید کند؟ پاسخ به این سوالات میتواند آزمونهایی در آزمایشهای مستقیم یا ناپایدارسازی درشتمقیاس کیهانشناختی فراهم آورد.
مسئله اکنون صرفاً آکادمیک نیست: ابزارها در حال آماده شدن برای آزمودن این دیدگاههای رقیب هستند. آیا تاریکی مرکزی یک افق رویداد خواهد بود، یا اجتماع فشرده و عجیب ذرات تاریک؟ هر پاسخ چیزی عمیق دربارهٔ گرانش، ماده و ساختار کهکشانی به ما خواهد آموخت.
در نهایت، ترکیب دادههای چند طولموجی (رادیویی، میلیمتری، فروسرخ و طیفی)، شبیهسازیهای نظری قوی، و تحلیلهای آماریِ مقایسهای بین مدلها مسیر قابل اعتمادی برای کشف طبیعت هستهٔ کهکشان فراهم میکند. چه نتیجه به نفع سیاهچالهٔ کلاسیک باشد و چه هستهٔ فرمیونی، نتیجهٔ نهایی چشمانداز ما نسبت به تکامل کهکشانی و طبیعت مادهٔ تاریک را شکل خواهد داد.
منبع: scitechdaily
نظرات
اتو_آر
اگه این مدل درست باشه، چشمانداز تکامل کهکشانی و رشد اجسام مرکزی حسابی تغییر میکنه. خوشحالم که پرسشها باز شده، حالا رصدها و شبیهسازیها قضاوت خواهند کرد
امیر
تو بعضی شبیهسازیها چیزای عجیبی دیدم، اگر هسته فرمیونی باشه باید روشهای ما هم آپدیت بشن وگرنه نمیشه قضاوت کرد
لابکور
دیدگاه جالبه، اتحاد هسته و هاله زیباست اما پارامترهای ذره و سازگاری کیهانشناختی باید محکم ثابت بشن، کار زیاد داره
رودیکس
وااای، اینو جدی میگن؟ ایده هستهٔ تاریک مثل یه سحره... هم جذابه هم ترسناک، منتظر رصدهای بعدی ام
ارسال نظر