سیگنال مرموز لایگو و احتمال کشف سیاه چاله های نخستین

اواخر یک شب در ماه نوامبر، یک آشکارساز امواج گرانشی رویدادی غیرمنتظره را ثبت کرد: ادغامی که اگر واقعی باشد، یکی از جرم‌های درگیر در آن سبک‌تر از خورشید ما بوده است. همین تک‌سیگنال کوتاه، نظریه‌پردازان را دوباره به دهه‌ها بحث و گمانه‌زنی درباره سیاه‌چاله‌های نخستین بازگردانده و کیهان‌شناسان رصدی را برای یافتن تأییدیه به تکاپو انداخته است.

وقتی داده‌ها با کتاب‌های درسی جور درنمی‌آیند

رصدخانه‌های امواج گرانشی مانند لایگو به خودِ بافت فضا زمان گوش می‌دهند. آن‌ها چین‌خوردگی‌هایی را ثبت می‌کنند که هنگام برخورد اجرام فشرده، مانند سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌های نوترونی، پدید می‌آیند. بیشتر آشکارسازی‌ها با انتظار ما از فرگشت ستاره‌ای همخوانی دارند: بازمانده‌های ستاره‌های پرجرم، با جرم‌هایی ده‌ها برابر خورشید یا حتی بیشتر. پس با سیگنالی که نشانه‌ای از ادغام جرمی زیرخورشیدی دارد چه باید کرد؟

سال گذشته، رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری یک هشدار خودکار برای رویدادی نامزد منتشر کرد که همین فرض رایج را به چالش کشید. به نظر می‌رسید یکی از اجزای این رویداد کمتر از یک جرم خورشیدی وزن داشته باشد. اخترفیزیک متعارف به‌سختی می‌تواند چنین اجرام فشرده و سبکی را از راه فروپاشی ستاره‌ای توضیح دهد. اینجاست که راه برای منشأیی نامتعارف‌تر باز می‌شود: سیاه‌چاله‌ای نخستین که در نخستین لحظه‌های پس از مهبانگ زاده شده است.

نمای هوایی از رصدخانه موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری، لایگو، در لیوینگستونِ لوئیزیانا که سال گذشته سیگنال موجی غیرعادی را از ژرفای دوردست فضا آشکار کرد. 

سیاه‌چاله‌های نخستین چه هستند و چرا اهمیت دارند؟

سیاه‌چاله‌های نخستین اجرامی فرضی هستند. برخلاف سیاه‌چاله‌هایی که هنگام مرگ ستاره‌های پرجرم شکل می‌گیرند، این اجرام احتمالا از نوسان‌های شدید چگالی در جهان نوزاد، مدت‌ها پیش از پیدایش نخستین ستاره‌ها، متراکم شده‌اند. جرم‌های پیش‌بینی‌شده برای آن‌ها بازه‌ای بسیار گسترده دارد: از اجرام بسیار کوچک در مقیاس سیارک تا جرم‌هایی چندین برابر خورشید. ریشه این ایده به کارهای یاکوف زلدوویچ و ایگور نوویکوف بازمی‌گردد و بعدها استیون هاوکینگ و دیگران آن را گسترش دادند.

اما چرا امروز اهمیت دارند؟ زیرا اگر شمار کافی از آن‌ها وجود داشته باشد، سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانند بخشی از ماده تاریک، یا حتی تمام آن، را توضیح دهند؛ همان جرم نامرئی که کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد. چنین نتیجه‌ای بخش‌هایی از کیهان‌شناسی را بازنویسی می‌کند. با این حال، روایت باید از داده‌ها آغاز شود؛ ادعاهای بزرگ به شواهد قانع‌کننده و تکرارپذیر نیاز دارند.

تحلیل دانشگاه میامی

پژوهشگران دانشگاه میامی، به سرپرستی نیکو کاپلوتی، دانشیار، و آلبرتو ماگاراجیا، دانشجوی دکتری، تلاش کردند بررسی کنند آیا نامزد عجیب ثبت‌شده توسط لایگو با منشأ نخستین سازگار است یا نه. محاسبات آن‌ها برآورد کرد که جهان ممکن است میزبان چه تعداد سیاه‌چاله نخستین باشد و لایگو هر چند وقت یک‌بار باید ادغام‌هایی شامل این اجرام را مشاهده کند.

نیکو کاپلوتی، دانشیار دانشکده علوم و هنرها.

جمع‌بندی آن‌ها محتاطانه اما جالب توجه است. به گفته این پژوهشگران، ادغام‌های زیرخورشیدی باید نادر باشند و مشاهده یک یا چند رویداد از این نوع توسط لایگو با انتظار مربوط به جمعیتی پراکنده از سیاه‌چاله‌های نخستین همخوانی دارد. به بیان دیگر، توضیح این سیگنال با مسیرهای معمول اخترفیزیکی آسان نیست و سیاه‌چاله نخستین می‌تواند تفسیری قابل قبول برای آن باشد.

با این حال، کاپلوتی و ماگاراجیا تأکید می‌کنند که یک آشکارسازی منفرد نمی‌تواند پرونده را مختومه کند. نامزد لایگو ممکن است نویز آماری، اثری ناشی از ابزار، یا نتیجه یک فرایند اخترفیزیکی ناشناخته باشد. تأیید وجود سیاه‌چاله‌های نخستین به چندین آشکارسازی سازگار و بررسی‌های متقابل دقیق میان آشکارسازها و دوره‌های رصدی نیاز دارد.

پیامدها برای ماده تاریک و کیهان‌شناسی

اگر سیاه‌چاله‌های نخستین واقعی باشند و به اندازه کافی فراوان، می‌توانند بخش بزرگی از ماده تاریک جهان را تشکیل دهند. همین احتمال پژوهشگران را هیجان‌زده می‌کند، زیرا اخترشناسی امواج گرانشی را به یکی از بزرگ‌ترین رازهای کیهان‌شناسی پیوند می‌زند. اما وصل کردن نامزد لایگو به ماده تاریک زنجیره‌ای طولانی از استدلال است: آشکارسازی، آمار جمعیتی، توزیع جرم و سازگاری با دیگر کاوشگرهای کیهان‌شناختی مانند ریزهمگرایی گرانشی و تابش زمینه کیهانی. این علم از راه انباشت شواهد پیش می‌رود. یک رویداد مسیر را روشن می‌کند. رویدادهای فراوان می‌توانند آن مسیر را نقشه‌برداری کنند.

آشکارسازهای آینده چگونه کمک خواهند کرد؟

لایگو و شرکای بین‌المللی آن در شبکه ال‌وی‌کی، که آشکارساز ویرگو در ایتالیا و کاگرا در ژاپن را شامل می‌شود، به جست‌وجوی آسمان ادامه خواهند داد. ارتقاهای برنامه‌ریزی‌شده حساسیت را بهبود می‌بخشند، آستانه‌های آشکارسازی را پایین‌تر می‌آورند و حجم فضای بررسی‌شده را افزایش می‌دهند. با این همه، ابزارهای زمینی مانند لایگو در اصل برای ثبت موج‌های پربسامد ناشی از ادغام‌های نسبتا جدید طراحی شده‌اند، نه برای دریافت مستقیم سیگنال‌هایی از نخستین دوره‌های کیهان‌شناختی.

رصدخانه‌های فضایی و آرایه‌های زمینی نسل آینده نوید می‌دهند که دامنه دسترسی را گسترش دهند. آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزریِ آژانس فضایی اروپا، که پرتاب آن برای سال ۲۰۳۵ برنامه‌ریزی شده است، موج‌های کم‌بسامدتری را آشکار خواهد کرد که سامانه‌های پرجرم‌تر و مربوط به دوران‌های قدیمی‌تر را کاوش می‌کنند. طرح‌هایی مانند کاوشگر کیهانی هدف دارند حدود ده برابر حساس‌تر از آشکارسازهای کنونی باشند و شاید بتوانند ادغام‌هایی را از دوران شکل‌گیری نخستین ستاره‌ها شناسایی کنند.

این ابزارها فقط شمار رویدادها را افزایش نخواهند داد؛ بلکه امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر جرم و تمایز بهتر میان منشأ اخترفیزیکی و منشأ نخستین را فراهم می‌کنند. با داده‌های غنی‌تر، پژوهشگران می‌توانند توزیع جرم، نرخ ادغام و خوشه‌بندی فضایی را بیازمایند؛ همگی از شاخص‌های کلیدی برای تشخیص یک جمعیت نخستین هستند.

دیدگاه کارشناس

دکتر الینا روئیز، کیهان‌شناس رصدی که در مطالعه میامی مشارکت نداشته است، با نگاهی سنجیده گفت: «یک نامزد زیرخورشیدی منفرد بسیار جذاب است، اما بیشتر یک سرنخ است تا اثبات. قدرت اخترشناسی امواج گرانشی در توان آماری آن است. اگر دوره‌های رصدی آینده چند مورد دیگر از این ادغام‌های کم‌جرم را با ویژگی‌های سازگار آشکار کنند، آن‌گاه از گمانه‌زنی به سوی استنتاج محکم حرکت خواهیم کرد.»

او افزود: «همچنین باید یافته‌های امواج گرانشی را با محدودیت‌های به‌دست‌آمده از پیمایش‌های ریزهمگرایی گرانشی و تابش زمینه کیهانی سازگار کنیم. تصویری هماهنگ در میان روش‌های مختلف همان چیزی است که در نهایت جامعه علمی را قانع خواهد کرد.»

جمع‌بندی

سیگنال لایگو بحثی را دوباره زنده کرده که نیم قرن قدمت دارد. این رویداد سیاه‌چاله‌های نخستین را از قلمرو نظریه انتزاعی به میدان آزمون تجربی آورده است. تحلیل دانشگاه میامی این نامزد را در چارچوب سناریویی نخستین و قابل قبول قرار می‌دهد، اما مسیر پیش رو روشن است: رویدادهای بیشتری گردآوری شود، نوارهای خطا فشرده‌تر شوند و نتایج با چندین مسیر اخترفیزیکی به‌دقت مقایسه شوند. در سال‌های آینده، با بهبود آشکارسازها و رشد فهرست رویدادهای امواج گرانشی، یا قطعه‌های گمشده‌ای را خواهیم یافت که سیاه‌چاله‌های نخستین را به نامزدی معتبر برای ماده تاریک تبدیل می‌کند، یا آن‌ها را کنار می‌گذاریم و مدل‌های خود از جهان را بر همان اساس دقیق‌تر می‌سازیم.