اخترفیزیکدانان با استفاده از میکرولنزینگ امواج گرانشی، قیدهایی روی ماده تاریک فشرده می‌گذارند

ماده تاریک یکی از بزرگترین رازهای جهان است. این ماده مرموز ماهیتی نامرئی دارد و تنها به وسیله اثرات گرانشی قابل تشخیص است. ویژگی‌های خاص این ماده سبب شده تا نامرئی باشد و به همین ترتیب، تشخیص ترکیب آن غیرممکن شود. ماده تاریک می‌تواند از ذرات بنیادی و عجیب و غریبی ساخته شده باشد که هنوز کشف نشده‌اند. همچنین ممکن است این ماده شامل اجرام پرجرم و فشرده شده (مثل سیاهچاله‌ها) که در عالم اولیه شکل گرفته شده‌اند – به آن‌ها سیاهچاله‌های عالم اولیه می‌گویند – باشد.

در دهه‌های گذشته، بسیاری از دانشمندان در سرتاسر جهان با استفاده از تکنیک‌های مختلف، تلسکوپ‌ها، آشکارسازها و داده‌های رصدی فراوان به جستجوی ماده تاریک پرداخته‌اند. هرچند که هیچ کدام از این جستجوها نتیجه نهایی را به دنبال نداشتند، اما هرکدام به محققان کمک کردند تا در مرحله بعدی تحقیقات خود هوشمندانه‌تر عمل کنند.

محققان مرکز بین‌المللی مطالعات نظری موسسه تحقیقات بنیادی «تاتا» در بنگلور هند اخیرا قیدهای جدیدی بر روی ماده تاریک فشرده گذاشته‌اند که از میکرولنزینگ گرانشی می‌آید. مقاله آن‌ها که در «The Astrophysical Journal Letters» به چاپ رسیده است، روش جدیدی برای بررسی ماهیت ماده تاریک با استفاده از اثرات میکرولنزینگ امواج گرانشی را شرح می‌دهد.

«پارامسوان آجیت» یکی از محققان این مطالعه به «Phys.org» گفت: «طبق نظریه نسبیت عام اینشتین، اجسام عظیم مانند لنزهای نوری معمولی، نور را خم می‌کنند. هنگامی که این اجسام – مانند سیاهچاله‌ها – میان منبع نجومی و ناظر قرار می‌گیرند، می‌توانند بزرگنمایی انجام داده و منبع را از نظر ظاهری بزرگ کنند –دقیقا همانند کاری که یک لنز شیشه‌ای انجام می‌دهد.»

باوجود تلاش‌های تحقیقاتی گسترده در این زمینه، ستاره‌شناسان تاکنون قادر به مشاهده اثرات میکرولنزینگ تولید شده توسط سیاهچاله‌ها نبوده‌اند. این نشان می‌دهد سیاهچاله‌هایی که بسیار سبک‌تر از خورشید هستند و می‌توانند نقش عدسی را ایفا کنند، بسیار در فضا نادر هستند.

آجیت می‌گوید: « حتی اگر این نوع سیاهچاله‌ها وجود داشته باشند، احتمالا تنها بخش بسیار کوچکی از ماده تاریک را تشکیل می‌دهد. تئوری‌ها پیش‌بینی می‌کند اگر سیاهچاله‌های اولیه که جرم آن‌ها بسیار بیشتر از جرم خورشید است، در کیهان فراوان باشند، سبب انحراف امواج گرانشی می‌شوند.»

در سال 2003، برخی از فیزیکدانان نظری به‌طور دقیق میزان اعوجاج امواج گرانشی را محاسبه کردند. تقریبا دو دهه بعد «سونگ هون جونگ» و «چانگ ساب شین» دو دانشمند در دانشگاه ملی سئول و مرکز تحقیقاتی «IBS» پیشنهاد کردند که عدم مشاهده این اعوجاج‌ها توسط رصدخانه‌های امواج گرانشی «LIGO» و «Virgo» می‌تواند به گذاشتن قید بر روی داده‌های سیاهچاله‌هایی با جرم بسیار بیشتر از جرم خورشید کمک فراوانی کند.

مقاله اخیر آجیت و همکارانش در ادامه آثار قبلی این حوزه است. آن‌ها فرض کرده‌اند اگر بخش قابل توجهی از ماده تاریک واقعا از اجسام فشرده – مثل سیاهچاله‌های اولیه – تشکیل شده باشد، این اجرام اثرات میکرولنزینگ در سیگنال‌های امواج گرانشی ایجاد می‌کنند که باید به صورت دوره‌ای توسط آشکارسازهای LIGO و Virgo شناسایی شوند.

آجیت گفت: « ما در سال 2018 با همکاری گروهی از دانشمندان در LIGO و Virgo به دنبال نشانه‌هایی از اعوجاج در سیگنال‌های امواج گرانشی بودیم که متاسفانه هیچ ردپایی پیدا نکردیم. این دو رصدخانه پیش از این موفق شده بودند امواج گرانشی را رصد کنند، اما نشانه‌هایی از اعوجاج یافت نمی‌شود. با این‌حال، از آنجا که تاکنون تنها ده سیگنال امواج گرانشی مشاهده شده است، انتظارات ما برای یافتن چنین اعوجاج‌هایی بسیار کم بود.»

اخیرا دو رصدخانه LIGO و Virgo در یک همکاری مشترک، نتایج مشابهی از سومین دوره رصدی خود اعلام کرده‌اند. علاوه بر آن، آجیت و همکارانش نیز به صورت مستقل به مطالعه امواج گرانشی به کمک تحلیل‌های موسسه مطالعات پیشرفته «IAS» در پرینستون پرداخته‌اند.

با اینکه محققان موفق به مشاهده اعوجاج امواج گرانشی به علت میکرولنزینگ نبودند، اما تجزیه و تحلیل‌ها به آن‌ها اجازه داد قیدهای دقیق‌تری بر روی ویژگی‌های ماده تاریک فشرده بگذارند. به عبارت دیگر، آن‌ها کسری از ماده تاریک را که از سیاهچاله‌های عظیم اولیه تشکیل شده است، مقیدتر کردند.

آجیت در ادامه صحبت‌هایش گفت: « قیدهایی که بدست آورده‌ایم بسیار حساس هستند. حدس می‌زنیم سیاهچاله‌ها کمتر از 50% میزان ماده تاریک موجود در عالم را تشکیل داده باشند. با این‌حال، امیدواریم رصدهای بیشتر رصدخانه‌های LIGO و Virgo به ما اجازه دهد تا موارد بیشتری را مورد مطالعه قرار دهیم. افزایش موارد سیگنال‌های امواج گرانشی به ما کمک خواهد کرد تا میزان دقت قیدها را افزایش دهیم.»

آجیت و همکارانش در آینده قصد دارند تمام رویدادهای امواج گرانشی جدید ثبت شده توسط آشکارسازهای LIGO و Virgo را تجزیه و تحلیل کنند. علاوه بر این، آن‌ها امیدوارند که کار اخیرشان تیم‌های دیگر را تشویق کند تا از اثر میکرولنزینگ امواج گرانشی برای بررسی دقیق‌تر ماهیت ماده تاریک استفاده کنند.

آجیت در پایان گفت: « به عنوان بخشی از همکاری LIGO و Virgo ما درحال تجزیه و تحلیل همه سیگنال‌های امواج گرانشی شناسایی شده توسط این رصدخانه بزرگ هستیم. آن‌ها در طول سه رصد قبلی مجموعا حدود صد رویداد را بررسی کردند که به ما کمک می‌کند تا دقت قیدهای مذکور را افزایش دهیم. با این‌حال، ما مشتاقانه منتظر نتایج تحلیل‌های بعدی هستیم و امیدواریم سیگنال‌های بعدی LIGO و Virgo نتایج شگرفی در اختیار ما قرار دهد.»