فرضیه عجیب فیزیکدان ایرانی دانشگاه کالیفرنیا درباره ماده تاریک

تصور کنید سیاره‌ای مانند مشتری که میلیون‌ها سال در آرامش به دور ستاره‌اش می‌چرخد، ناگهان در دل خود فروبپاشد و به سیاه‌چاله‌ای مرموز تبدیل شود. این سناریوی حیرت‌انگیز، موضوع پژوهش تازه‌ی مهرداد فروتن‌مهر، فیزیکدان ایرانی از دانشگاه کالیفرنیا ریورساید است؛ فرضیه‌ای که می‌گوید سیاره‌های فراخورشیدی می‌توانند آزمایشگاهی طبیعی برای آشکارکردن راز بزرگ کیهان باشند.

تاکنون،ستاره‌شناسان موفق به کشف بیش از پنج هزار سیاره فراخورشیدی شده‌اند؛ جهان‌هایی دور از منظومه‌ی شمسی ما که می‌توانند سرنخ‌هایی ارزشمند درباره‌ی چگونگی شکل‌گیری و تکامل سیاره‌ها و حتی امکان وجود حیات در گوشه‌های دیگر کیهان به‌دست دهند. اما پژوهشی تازه از پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا ریورساید، نشان می‌دهد این سیاره‌ها می‌توانند نقش بسیار مهم‌تری نیز ایفا کنند: کلید حل یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان، یعنی ماده تاریک.

بررسی سیاره‌های فراخورشیدی می‌تواند به شکار ذرات ماده تاریک فوق‌سنگین کمک کند

ماده تاریک که تصور می‌شود حدود ۸۵ درصد از کل ماده‌ی جهان را تشکیل می‌دهد، تاکنون هیچ‌گاه به‌طور مستقیم در آزمایش‌های زمینی شناسایی نشده است. بااین‌حال، شواهد غیرمستقیم آن‌قدر قوی است که جامعه‌ی علمی به وجودش باور دارد. محاسبات پژوهش جدید نشان می‌دهد ذرات ماده‌ی تاریک می‌توانند در طول میلیاردها سال به‌تدریج درون سیاره‌های غول‌پیکر فرو روند، در هسته‌ی آن‌ها تجمع کنند و سرنوشتی غیرمنتظره برای آن‌ها رقم بزنند.

به‌گزارش سای‌تک‌دیلی، مهرداد فروتن‌مهر از گروه فیزیک و نجوم دانشگاه کالیفرنیا ریورساید و نویسنده‌ی اصلی مقاله، می‌گوید اگر ذرات ماده تاریک به اندازه‌ی کافی سنگین باشند و یکدیگر را نابود نکنند، ممکن است در نهایت به یک سیاه‌چاله بسیار کوچک فروبریزند. سپس، این سیاه‌چاله می‌تواند رشد کند و تمام سیاره را ببلعد و آن را به سیاه‌چاله‌ای با همان جرم اولیه‌ی سیاره تبدیل کند. چنین نتیجه‌ای فقط در چارچوب مدل ماده تاریک فوق‌سنگین و نابودناپذیر ممکن است.

 مهرداد فروتن‌مهر، دانشجوی کارشناسی‌ارشد در گروه فیزیک و نجوم دانشگاه کالیفرنیا ریورساید.

مدل ماده‌ی تاریک فوق‌سنگین و نابودناپذیر توضیح می‌دهد که این ذرات بسیار پرجرم‌اند و هنگام برخورد با یکدیگر از بین نمی‌روند. پژوهشگران براساس این مدل نشان داده‌اند که ذرات پس از به‌دام‌افتادن در میدان گرانشی سیاره، انرژی خود را از دست می‌دهند، به سمت مرکز حرکت می‌کنند و در هسته تجمع می‌یابند تا شاید به سیاه‌چاله تبدیل شوند.

فروتن‌مهر درباره‌ی پیامدهای فرآیند می‌گوید:در سیاره‌های گازی با اندازه‌ها و شرایط مختلف، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند در بازه‌های زمانی مشاهده‌پذیر شکل بگیرند و حتی ممکن است یک سیاره در طول عمرش چندین بار چنین فرآیندی را تجربه کند. یافته‌ها نشان می‌دهد که بررسی سیاره‌های فراخورشیدی می‌تواند به شکار ذرات ماده‌ی تاریک فوق‌سنگین کمک کند، به‌ویژه در مناطقی مانند مرکز کهکشان راه شیری که گمان می‌رود سرشار از ماده‌ی تاریک باشد.

تاکنون، پژوهش‌ها درباره‌ی سیاه‌چاله‌ها تنها اجرامی را نشان داده‌اند که جرمی بیشتر از خورشید دارند. بیشتر نظریه‌های موجود نیز بر این باورند که سیاه‌چاله‌ها باید حداقل چنین جرمی داشته باشند. بر همین اساس، فروتن‌مهر تأکید می‌کند کشف سیاه‌چاله‌ای با جرم یک سیاره، تحولی بزرگ خواهد بود. چنین کشفی می‌تواند فرضیه را تأیید کند و دیدگاهی تازه در برابر باور رایج ارائه دهد که سیاه‌چاله‌های سیاره‌ای فقط در دوران آغازین جهان شکل گرفته‌اند.

کمبود داده‌های دقیق درباره‌ی سیاره‌های فراخورشیدی، یکی از دلایل اصلی بود که تاکنون این اجرام کمتر در مطالعات ماده تاریک استفاده شده‌اند. اما مأموریت‌های فضایی اخیر، حجم عظیمی از اطلاعات درباره‌ی این سیاره‌ها فراهم کرده‌اند و مأموریت‌های آینده نیز جزئیات بیشتری در اختیار دانشمندان خواهند گذاشت. فروتن‌مهر معتقد است که با داده‌های تازه، می‌توان از سیاره‌های فراخورشیدی برای آزمودن و به‌چالش‌کشیدن مدل‌های مختلف ماده تاریک استفاده کرد.

روش‌های پیشین بررسی ماده تاریک بیشتر بر اجرامی مانند خورشید، ستاره‌های نوترونی و کوتوله‌های سفید متمرکز بودند. برخی مدل‌ها پیش‌بینی می‌کنند ماده تاریک می‌تواند ستاره‌های نوترونی را گرم کند؛ بنابراین مشاهده‌ی یک ستاره‌ی نوترونی قدیمی و سرد می‌تواند نشانه‌ای ناهمسوی این پیش‌بینی باشد.

سیاره‌های فراخورشیدی و حتی سیاره مشتری در منظومه‌ی شمسی نیز در همین چارچوب اهمیت پیدا می‌کنند. این اجرام هنوز به سیاه‌چاله فرو نپاشیده‌اند، بنابراین به پژوهشگران کمک می‌کنند برخی مدل‌های ماده‌ی تاریک را رد یا اصلاح کنند. فروتن‌مهر توضیح می‌دهد:

اگر روزی جمعیتی از سیاه‌چاله‌های سیاره‌ای کشف شود، می‌تواند نشانه‌ی قدرتمندی در حمایت از مدل ماده تاریک فوق‌سنگین نابودناپذیر باشد. هرچه داده‌های بیشتری جمع‌آوری و تک‌تک سیاره‌ها را دقیق‌تر بررسی کنیم، می‌توانیم به سرنخ‌های تازه‌ای درباره‌ی ماهیت ماده‌ی تاریک دست یابیم.

تأثیر احتمالی دیگر ماده تاریک بر سیاره‌ها نیز موضوعی است که پژوهشگران مطرح کرده‌اند. به‌باور فروتن‌مهر، ماده‌ی تاریک می‌تواند برخی سیاره‌ها را گرم کند یا باعث انتشار پرتوهای پرانرژی شود. او می‌افزاید ابزارهای فعلی توانایی شناسایی این نشانه‌ها را ندارند، اما تلسکوپ‌ها و مأموریت‌های فضایی آینده ممکن است بتوانند چنین سیگنال‌هایی را آشکار کنند.

پژوهش در نشریه Physical Review D منتشر شده است.