بوزون‌های فراسبک می‌توانند با چرخش به گرد سیاهچاله‌ها امواج گرانشی آزاد کنند

* شاید یک ذره‌ی فرضی تازه به نام بوزون فرا-سبُک (فوق سبک) که می‌تواند به گرد سیاهچاله‌ها بچرخد و امواج گرانشیِ آشکارپذیر آزاد کند مسئول "ماده‌ی تاریک" در کیهان باشد.

بوزون فراسبک اگرچه نمی‌تواند به طور مستقیم دیده شود، ولی شاید بتواند به گرد سیاهچاله‌ها انباشته شده، به سازوکار شگفت‌انگیزی دامن بزند که باعث انفجار به شکل فورانی سهمگین از امواج گرانشی شود. از این هم بهتر: این امواج گرانشی را شاید بتوان با نسل آینده‌ی آشکارسازها ردیابی کرد.

یک خوانشِ اندکی سبک
ما نمی‌دانیم ۸۵ درصد جرم کیهان از چه ساخته شده (که ایکاش می‌دانستیم). آن را "ماده‌ی تاریک" می‌خوانیم ولی شاید "ماده‌ی نادیدنی" هم باشد زیرا هیچ برهمکنشی در هیچ شیوه، شکل یا گونه‌ای با نور انجام نمی‌دهد. در حقیقت ماده‌ی تاریک نور را نمی‌پراکند، باز نمی‌تاباند، نمی‌شکند و خلاصه هیچ کاری با آن ندارد.

ولی ماده‌ی تاریک چیزی که دارد گرانش است. ما از راه کشش گرانشی‌اش می‌توانیم اثری که بر رفتار، حرکت و فرگشت کهکشان‌ها می‌گذارد را ببینیم.

ولی این ماده‌ی تاریک نادیدنی و اسرارآمیز چه می‌تواند باشد؟ اخترشناسان و فیزیکدانان دهه‌هاست که با این پرسش درگیرند و به آهستگی به برخی پاسخ‌های احتمالی نزدیک می‌شوند.

بررسی نامزدهای ماده‌ی تاریک
یکی از نامزدها یک ذره‌ی فرضی به نام اکسیون است. اکسیون نخستین بار در سال ۱۹۷۷ پیشنهاد شده بود، پیش از این که حتی بدانیم ماده‌ی تاریک هم یک چیستی دارد، و این ذره دارای ویژگی‌هایی‌ست که آن را یک نامزد فریبنده و جذاب برای ماده‌ی تاریک می‌کند.

نخست این که اکسیون‌ها می‌توانند سبک باشند -بسیار سبک- که کارشان برای روان شدن در کیهان را ساده می‌کند. این درست همان چیزی‌ست که انتظار داریم ماده‌ی تاریک به عنوان فراوان‌ترین گونه‌ی ماده‌ی کیهان مانندش باشد.

دوم این که اکسیون‌ها (و ذرات نظری‌ای که با آن نسبت دارند، مانند "فوتون‌های تاریک" که مانند اکسیون‌ها هستند ولی می‌توانند یک نیروی پنجم فرضی طبیعت را حمل کنند) واقعا با تابش یا ماده‌ی معمولی برهمکنش انجام نمی‌دهند، چیزی که معیارِ دیگری‌ست برای همسو بودن با ماده‌ی تاریک.

بمب سیاهچاله‌ای
با داشتن نامزد ماده‌ی تاریک، می‌توانیم به جستجوی دلایلی برای این که فکر کنیم می‌تواند واقعا وجود داشته باشد بپردازیم. آیا اکسیون‌ها، یا هر یک از دوستانشان، نوفه (نویز) یا همهمه‌ای که به ما امکان شناسایی‌اشان را دهد تولید می‌کنند؟

خوب، بر پایه‌ی پژوهشنامه‌ای که پیش‌چاپ آن در تارنمای arXiv منتشر شده، اکسیون‌ها می‌توانند به یک بمب تبدیل شوند.

و اگر روزی خواستید یک بمب اکسیونی (یا یک "بمب سیاهچاله‌ای") بسازید، شانس یارتان است زیرا می‌خواهم روش ساختش را یادتان بدهیم.

نخست، با یک سیاهچاله آغاز می‌کنیم. سپس مطمئن می‌شویم که سیاهچاله چرخان است. سیاهچاله‌های چرخان می‌توانند فضازمان را به گرد خود بکشانند، مانند زمانی که یک میز قهوه‌ی سنگین را روی یک فرش می‌چرخانید. این چرخش می‌تواند انرژی را از چرخشِ سیاهچاله به هر ماده‌ی پیرامونی بدهد. این می‌تواند یک چشمه‌ی بسیار خوب انرژی باشد: بروید نزدیک یک سیاهچاله و از چرخش آن برای تامین انرژیِ هر چه که می‌خواهید بهره بگیرید! (... دستکم در نظریه.)

این برای هر چیزی کاربرد دارد، چه ماده‌ی معمولی و چه ماده‌ی تاریک. و اگر ماده‌ی تاریک از اکسیون‌ها ساخته شده باشد، چیزی فراتر از ویژه می‌تواند به دلیل آن چرخش رخ دهد.

ذرات اکسیون بر پایه‌ی جرمی که دارند، اگر به سیاهچاله نزدیک شوند (کاری که انجامش به دلیل کشش گرانشیِ سیاهچاله دشوار نیست)، می‌توانند باعث یک ناپایداری شوند.

اکسیون‌ها دور خود می‌چرخند، مقداری انرژی از سیاهچاله می‌دزدند  و همین انرژی افزوده باعث می‌شود باز هم سریع‌تر بچرخند و به سیاهچاله نزدیک‌تر شوند. این باعث می‌شود اکسیون‌ها باز هم انرژی بگیرند و تندتر و تندتر بچرخند.

این فرآیند به نام "ناپایداری اَبَرتابشی" شناخته می‌شود، ولی من ترم "بمب سیاهچاله‌ای" را بیشتر می‌پسندم.

حرکت در تاریکی
هنگامی که پای اکسیون‌ها (و ذرات فرضی‌ای مانند اکسیون‌ها) به میان می‌آید، این بمب یک درخش نور تولید نمی‌کند. به جایش، اکسیون‌ها در یک پیکره‌بندی ویژه پیرامون سیاهچاله توده می‌شوند و آرایشی با فرورفتگی‌ها و برجستگی‌ها، تقریبا مانند موج‌های ایستا به خود می‌گیرند.

این موج‌ها همراه سیاهچاله می‌چرخند و انرژی بیشتر و بیشتری می‌گیرند. این چرخش مقدار هنگفتی موج گرانشی آزاد می‌کند- موج‌های ظریفی از گرانش که پیوسته کیهان را در می‌نوردند.

ما چند سالست که توانسته‌ایم امواج گرانشی را با دستگاه‌هایی مانند لایگو و ویرگو ردیابی کنیم، ولی این دستگاه‌ها برای بزرگ‌ترین رویدادها تنظیم شده‌اند، رویدادهایی مانند برخورد دو سیاهچاله یا دو ستاره‌ی نوترونی. ولی پشت صدای بسیار بلند این رویدادها، پس‌زمینه‌ای با زمزمه‌ای کلی از امواج گرانش جای دارد. مانند گوش دادن به همهمه‌ی یک رستوران شلوغ، این پس‌زمینه هم ضعیف‌تر از آنست که بشود تک تک چشمه‌های تولیدکننده‌ی همه‌ی موج‌ها را شناسایی کرد- تنها می‌توانید به سروصدا گوش دهید.

بسته به جرم دقیق یک اکسیون (مدل‌های نظری واقعا جرم قطعی‌ای برای این ذره پیش‌بینی نمی‌کنند)، بمب‌های سیاهچاله‌ای می‌توانند پیوسته و پی در پی منفجر شوند. هر انفجار اگرچه نیرومند است، ولی بسیار ضعیف‌تر از آنست که بتوانیم به طور مستقیم با لایگو یا لیزا (LISA) آن را ببینیم، با این وجود در پس‌زمینه‌ی کلی نقش دارد.

در حال حاضر در پس‌زمینه‌ی امواج گرانشی هیچ گواه و نشانه‌ای برای این بمب‌های سیاهچاله‌ای نداریم- و بنابراین هیچ شواهدی هم برای ربط دادنشان به ماده‌ی تاریک پشتشان نداریم. ولی این دیده نشدن به ما در شناخت این مدل‌ها کمک می‌کند: اگر اکسیون سنگین‌تر از یک جرم ویژه‌ای باشد (و درباره‌ی کارکرد بمب سیاهچاله‌ای هم درست گفته باشیم)، پس باید تاکنون خود را در پس‌زمینه نشان می‌دادند.

نسل بعدی آشکارسازهای امواج گرانشی از این هم حسمندتر خواهند بود، و شاید بتوانیم نخستین بمب سیاهچاله‌ای‌مان را ببینیم. و به همراه آن، نخستین شواهد قطعی‌مان از نهاد و هویت ماده‌ی تاریک.


--------------------------------------------

تلگرام و توییتر یک ستاره در هفت آسمان:

واژه نامه:
ultralight boson - dark matter - gravitational wave - invisible matter - scatter - reflect - absorb - refract - galaxy - axion - dark photon - arXiv - axion bomb - black hole bomb - black hole - superradiant instability - LIGO - VIRGO - neutron star - LISA

برگردان: یک ستاره در هفت آسمان

0 دیدگاه شما:

Blogger template 'Browniac' by Ourblogtemplates.com 2008

بالای صفحه