9 دقیقه
چند لحظه پس از مهبانگ، کیهان نوزاد ممکن است مکانی شگفتآوراً پُرجوش و پرجنبوجوش بوده باشد. پژوهشهای تازه نشان میدهد در کسری از ثانیه بین پایان تورم کیهانی و آغاز تشکیل نخستین هستهها، تودههای ذرات میتوانستند فروپاشیده و به اجسام فشرده و عجیب تبدیل شوند: سیاهچالههای اولیهٔ کوچک، ستارههای بوزونی و حتی «ستارههای کاننیبال» که انرژیشان از نابودی ذرات ناشی میشود. این احتمال بخشهایی از روایت ما دربارهٔ ثانیهٔ نخست کیهان را بازنویسی میکند و برای مدلهای کیهانشناسی و ماهیت مادهٔ تاریک پیامدهای مهمی دارد.
A chaotic cradle: the Early Matter-Dominated Era and tiny halos
دانشمندان کاسمولوژی اکنون میتوانند تاریخچهٔ کیهان را از دورهٔ تورم تا سنتز هستهای اولیه با جزئیات فزایندهای دنبال کنند، اما بازهٔ کوتاهی که بین این دو رخ میدهد هنوز مرزی روبهگسترش برای پژوهش است. چندین مدل نظری یک دوران کوتاه «ماده-غلبهٔ اولیه» (Early Matter-Dominated Era یا EMDE) را پس از تورم فرض میکنند، زمانی که ذرات غیرنسبیتی بهطور موقت بر تراز انرژی کیهانی چیره میشوند. در چنین دورانی نوسانات چگالی کوچک سریعتر از دوران غلبهٔ تابش رشد میکنند و این اجازه را میدهد که هالههای ریز ماده پیش از پدیدار شدن اتمها شکل بگیرند.
گروهی از پژوهشگران در SISSA، همراه با INFN، IFPU و دانشگاه ورشو، با استفاده از مدلهای سادهشده اما بینشزا بررسی کردند که اگر ذرات داخل این هالهها با هم برخورد و تعامل داشته باشند چه رخ میدهد. محاسبات آنها نشان میدهد که خود-برهمکنشها میتوانند فروپاشی گرما-گروی (gravothermal collapse) را آغاز کنند: گرما از هسته به بیرون جریان مییابد، هسته فشرده میشود و چگالی مرکزی بهسرعت افزایش مییابد، وضعیتی بارور برای تشکیل اجسام فشرده پدید میآید. این روند شبیه به فرایندهای شناختهشده در خوشههای ستارهای ولی با پارامترهای فیزیکی بسیار متفاوت در کیهانِ اولیه است.
در مدلهای معرفیشده، جزئیاتی همچون مقیاس جرم هالهها، نرخ خود-تخریبی یا خود-برهمکنش ذرات، و زمانبندی پایان EMDE نسبت به آغاز سنتز هستهای تعیینکنندهٔ مسیر تکامل هالهها هستند. این پارامترها نه تنها تکامل دینامیک هاله را کنترل میکنند، بلکه نقش محوری در تعیین جرمِ نهایی اجسام فشرده و فراوانی آنها دارند.
How cannibal stars, boson stars and primordial black holes could appear
مطالعهٔ مورد بحث نتایج متعددی از فروپاشی هاله را ترسیم میکند. در یک سناریو، هالهها به ستارههای کاننیبال تبدیل میشوند؛ اجسامی که نیرویشان از همجوشی هستهای نیست بلکه از نابودی (annihilation) مداوم ذراتی که آنها را ساختهاند تأمین میشود. میتوان این را ستارهای تصور کرد که عملاً خود را برای تأمین انرژی میبلعد؛ نام «کاننیبال» تصویری گویا از فیزیک متفاوتی ارائه میدهد که میتواند اشکالی شناختهشدهٔ اخترفیزیکی را در کیهان اولیه بازسازی کند.
مسیر دیگر منجر به تشکیل ستارههای بوزونی میشود که به جای فشار حرارتی توسط اثرات کوانتومی حمایت میشوند. اگر ذرات بخش تاریک بوزونی و سبک باشند، میتوانند حالتهای کوانتومی همدوسِ ماکروسکوپی تشکیل دهند که رفتار موجمانند آنها مانع فروپاشی گرانشی میشود. این ساختارها ممکن است در کیهان نوپا گذرا بوده و تنها برای چند ثانیه تاب بیاورند قبل از اینکه در اثر اختلالات یا رشد نوسانات متلاشی شوند یا دوباره فرو بریزند.
در نهایت، چگالترین هستهها میتوانند به فروپاشی بیوقفه به سمت سیاهچالههای اولیه (PBHs) دچار شوند. برآوردهای پژوهشگران نشان میدهد هالههایی که در طول یک EMDE شکل گرفتهاند از نظر کیهانی کوچک خواهند بود — با جرمهایی کمتر از حدود 10^28 گرم. پس از فروپاشی گرما-گروی، برخی از PBHهای حاصل ممکن است حتی کوچکتر شوند و وارد بازههای جرمی شوند که یا بهسرعت از طریق تابش هاوکینگ تبخیر میشوند یا بهصورت بقایای با جرم مشابه سیارک باقی میمانند.
نکتهٔ فیزیکی کلیدی این است که جرم و فراوانی نهایی این اجسام رابطهٔ تنگاتنگی با زمانبندی پایان EMDE، نرخهای تضعیف و خود-برهمکنشها، و توزیع اولیهٔ نوسانات چگالی دارد. بهعلاوه، مکانیزمهایی مانند انتقال انرژی گرمایی، نفوذ ذرات سبک، و فرایندهای کوانتومی در ستارههای بوزونی همگی میتوانند مسیر تکامل را بهطور اساسی تغییر دهند.
Why these tiny objects matter for cosmology and dark matter
وجود چنین اجسام ریز و فشردهای در کیهانِ اول پیامدهای مهمی برای کاسمولوژی و مسئلهٔ مادهٔ تاریک دارد. سه پیامد برجسته عبارتاند از:
- محدودسازی مدلها: تولید PBHها در EMDE میتواند تیغی دوسویه باشد؛ در برخی ناحیههای پارامتری مدلها، تولید بیشازحد PBH با محدودیتهای رصدی ناسازگار خواهد شد و بنابراین آن مدلها را کنار میگذارد یا پارامترهایشان را محدود میکند.
- جایگزین قابلآزمایش برای مادهٔ تاریک: در برخی رژیمها این فرایند بهطور طبیعی PBHهایی در مقیاس سیارکی تولید میکند که میتوانند تمام یا بخشی از مادهٔ تاریک را تشکیل دهند. این یک جایگزین رصدپذیر برای ذرات بنیادی مادهٔ تاریک است، زیرا فراوانی و توزیع جرمی پیباچها با روشهای میکرو-لنزیگ، اثرات پسزمینه و آشکارسازهای گرانشی قابل آزمون است.
- تأثیر بر تاریخ حرارتی اولیه: بسیاری از سبکترین PBHها قبل از آغاز سنتز هستهای اولیه تبخیر میشوند؛ بنابراین میتوانستند بدون باقی گذاشتن بازماندگان بلندمدت، تاریخ حرارتی و ترکیب انرژی در ثانیههای آغازین کیهان را تحت تأثیر قرار دهند — مثلاً با تزریق ذرات، فوتون یا نوترینو که نرخهای نمو و ترکیبسازی هستهای را تغییر میدهد.
علاوه بر سیاهچالهها، جمعیتی از ستارههای کاننیبال یا ستارههای بوزونی در کیهان اولیه میتوانستند تزریق انرژی، نرخ انبساط و ساختار کوچمقیاس را به گونهای تغییر دهند که از طریق اندازهگیریهای دقیق کاسمیک (مانند تابش پسزمینهٔ کیهانی، توزیع کهکشانها در مقیاس کوچک، یا سیگنالهای موج گرانشی ناشی از ادغامهای بعدی) بهصورت غیرمستقیم قابل پیگیری باشند. این تأثیرات میتوانند بینشی دربارهٔ خواص بخش تاریک، جرم و برهمکنش ذرات و زمانبندی EMDE فراهم کنند.
Observational prospects and theoretical questions
آزمون این ایدهها دشوار است اما غیرممکن نیست. جستجو برای PBHهای با جرمهای در مقیاس سیارکی از روشهایی مانند میکرولنزینگ (microlensing) ستارهها و منابع دوردست، بررسی گذراهای آسمانی در پایشهای گسترده، و قرار دادن محدودیت از دادههای پسزمینهٔ کیهانی استفاده میکند. بهعلاوه، آزمایشهای آزمایشگاهی و مشاهدات اخترفیزیکی که خود-برهمکنشِ بخش تاریک را جستجو میکنند میتوانند فضای پارامتری مجاز برای فروپاشی گرما-گروی را تنگتر کنند.
نویسندگان مقاله بر ضرورت مطالعات عددی دقیقتر تأکید میکنند که فیزیک ذرات را بهصورت مستقیم با دینامیک هالهها جفت کند تا برآوردهای تولید را بهبود دهد و با محدودیتهای دادهای از تابش پسزمینهٔ کیهانی، سنتز هستهای مهبانگ و آشکارسازهای موج گرانشی مقایسه کند. شبیهسازیهای چندفازی که مکانیک کوانتومی، انتقال انرژی و اصطکاک گرانشی را همزمان مدلسازی کنند برای تعیین سهم نسبی کاننیبالها، ستارههای بوزونی و PBHها ضروریاند.
این تیم همچنین اشاره میکند که میتوان سؤال را برعکس کرد: آیا فرایندهای مشابهی ممکن است هنوز در کیهان امروز اتفاق بیفتند؟ آیا هالههای مادهٔ تاریک خود-برهمکنش میتوانند در محیطهای کهکشانی فعلی ستارههای کاننیبال یا ستارههای بوزونی بسازند؟ اگر چنین اشیایی وجود داشته باشند، آیا بهعنوان منابع فشرده و غیرمعمول در کهکشانها پنهان ماندهاند؟ پاسخ به این پرسشها نیازمند ادغام دادههای رصدی، مدلسازی دینامیک هاله و آزمایشهای مستقیم بخش تاریک است.
از منظر روششناختی، محدود کردن وجود PBHهای سیارکی بهوسیلهٔ میکرولنزینگ نیازمند پایش همزمان میلیونها ستاره در نواحی مناسب آسمان و تحلیل دقیق نورهای تغییرشده است. همزمان، محدودیتهای پسزمینهٔ ریزموجی و طیفی از تابش کیهانی میتوانند تزریق انرژی در دورانهای اولیه را بازسازی کنند و نتایج را با سناریوهای تبخیر PBH مقایسه نمایند.
Expert Insight
دکتر لینا اورتیز، اخترفیزیکی که روی شکلگیری اجسام فشرده کار میکند، تأکید میکند که این مطالعه با ترکیب فیزیک ذرات و دینامیک کلاسیک تصویری سودمند ارائه میدهد. او توضیح میدهد که حتی یک EMDE کوتاه بهطرز چشمگیری رشد ساختار در مقیاسهای کوچک را افزایش میدهد و فروپاشی گرما-گروی را بسیار محتملتر از حالتی میکند که کیهان صرفاً تحت غلبهٔ تابش بوده باشد.
طبق گفتهٔ اورتیز، هیجانانگیزترین پیامد قابلیت آزمون است: اگر پایشهای آینده PBHهای در مقیاس سیارکی را محدود کنند یا گذراهای فشردهٔ غیرمنتظره را آشکار سازند، ممکن است به یک پنجرهٔ مستقیم به فیزیکی که در ثانیهٔ نخست کیهان عمل میکرد دست یابیم. چنین کشفی میتواند اطلاعاتی دربارهٔ جرم و برهمکنش ذرات بخش تاریک، زمانبندی EMDE و مکانیزمهای انتقال انرژی در هالهها فراهم آورد.
این ایدهها تخیل ما را دربارهٔ آغازینترین دورانهای کیهان گسترش میدهند. اینکه آیا ستارههای کاننیبال، ستارههای بوزونی زودگذر یا سیاهچالههای بسیار کوچک واقعاً کیهان جوان را پر کرده بودند، همچنان پرسشی باز است — اما همین امکان شکلدهیهای نوین باعث بازنگری در نحوهٔ تفکر ما دربارهٔ شکلگیری ساختارها در زمانی شده است که کیهان کمتر از تپشی بود.
برای پژوهشگران حوزهٔ فیزیک ذرات و کاسمولوژی، این نتایج دعوتی است برای انجام مطالعات بینرشتهای دقیقتر: توسعهٔ مدلهای میکروفیزیک بخش تاریک، شبیهسازیهای دینامیک غیرخطی هالهها، و تلاشهای رصدی هدفمند برای آشکارسازی یا محدودسازی جمعیتهای پیشنهادی. در صورت یافتن شواهد، پیامدها نه تنها برای فهم مادهٔ تاریک و شکلگیری ساختار است، بلکه برای فهم تاریخ حرارتی، تولید ذرات و تحولات فیزیک فرایندهای اولیه کیهان اهمیت بنیادین دارد.
منبع: scitechdaily
نظرات
آرتم_
من تو یه پروژه شبیهسازی کار کردم، اگه خود-برهمکنش باشه واقعا مسیرها تغییر میکنن. فقط وقت و cpu لازم داریم، و صبر...
مهدی
خیلی ایدهها شگفتانگیزن ولی کمی اغراق شده بنظر میاد. آزمایشهای عملی چطور؟ میکرولنزینگ که کار سادهای نیست، بذارین مدارک قوی ببینیم.
استروست
شرح جامعی بود، ترکیب خوبی از ذره و دینامیک هاله. نیاز به شبیهسازیهای دقیقتر واضحه؛ مخصوصا برای قیاس با دادههای پسزمینه...
توربو
معقول به نظر میاد، اما بیش از حد به پارامترها وابسته است. اگر EMDE کوتاه باشه همه چیز فرق میکنه.
کوینپلا
واقعاً این مدلها چقدر قابل اعتمادن؟ دادهها کمِکم دارن محدودیت میذارن ولی آیا شبیهسازیها میتونن فیزیک ذرات رو خوب بگیرن؟
رودایکس
وااای، فکرش رو کنین: ستارههایی که خودشون رو میخورَن؟! این تصویری که ساختن از ثانیههای اول کیهان کاملاً ذهنو به هم میزنه.
ارسال نظر