اخترفیزیکدانان پیوند ابرپرجرم سیاهچاله/ماده تاریک را در حل «آخرین مشکل پارسک» کشف کردند.

محققان ارتباطی بین برخی از بزرگترین و کوچکترین اجرام در فضا کشف کرده اند: سیاهچاله های بسیار پرجرم و ذرات ماده تاریک.

محاسبات جدید آن‌ها نشان می‌دهد که جفت‌های سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم (SMBHs) می‌توانند به دلیل رفتار قبلاً نادیده گرفته شده ذرات ماده تاریک در یک سیاه‌چاله بزرگ‌تر ادغام شوند و راه‌حلی برای «آخرین مشکل پارسک» طولانی‌مدت در نجوم ارائه دهند.

مطالعه در شرح داده شده است ماده تاریک خود برهم کنش آخرین مشکل پارسک ادغام سیاهچاله های کلان جرم را حل می کند این ماه در مجله منتشر شد نامه معاینه فیزیکی.

در سال 2023، اخترفیزیکدانان کشف “هوم” امواج گرانشی را اعلام کردند که در جهان هستی نفوذ می کنند. آنها فرض کردند که این سیگنال پس‌زمینه توسط میلیون‌ها جفت SMBH که هر کدام میلیاردها بار جرم‌تر از خورشید ما هستند، ساطع می‌شود.

با این حال، شبیه‌سازی‌های نظری نشان داده‌اند که وقتی جفت‌هایی از این اجرام آسمانی عظیم به سمت یکدیگر مارپیچ می‌شوند، نزدیک شدن آنها زمانی که تقریباً یک پارسک از هم فاصله داشته باشند متوقف می‌شود (فاصله‌ای در حدود سه سال نوری) بنابراین از ادغام جلوگیری می‌شود.

این «آخرین مشکل پارسک» نه تنها با این نظریه که ادغام SMBH ها منبع پس زمینه امواج گرانشی هستند، تناقض دارد، بلکه با این نظریه که SMBH ها از ادغام سیاهچاله های کم جرم تر رشد می کنند نیز در تضاد است.

یکی از نویسندگان مقاله می‌گوید: «ما نشان می‌دهیم که شامل تأثیر ماده تاریک که قبلاً نادیده گرفته شده بود، می‌تواند به سیاهچاله‌های کلان جرم کمک کند تا بر این پارسک نهایی جدایی و ادغام غلبه کنند». گونزالو آلونسو-آلوارز، دانشجوی فوق دکتری در گروه فیزیک در دانشگاه تورنتو و دپارتمان فیزیک و موسسه فضایی تروتیر در دانشگاه مک گیل “محاسبات ما توضیح می دهد که چگونه این اتفاق می تواند رخ دهد، برخلاف آنچه قبلا تصور می شد.”

از جمله نویسندگان مشترک مقاله می توان به پروفسور اشاره کرد جیمز کلاین از دانشگاه مک گیل و سرن دپارتمان فیزیک نظری در سوئیس و کیتلین دواردانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک در مک گیل.

تصور می شود که SMBH ها در مرکز اکثر کهکشان ها قرار دارند و هنگامی که دو کهکشان با هم برخورد می کنند، SMBH ها در مداری به دور یکدیگر قرار می گیرند. همانطور که آنها به دور یکدیگر می چرخند، کشش گرانشی ستارگان مجاور آنها را به داخل می کشد و سرعت آنها را کاهش می دهد. در نتیجه، SMBH ها به سمت ادغام حرکت می کنند.

مدل‌های ادغام قبلی نشان داده‌اند که وقتی SMBH ها در حدود یک پارسک قرار می‌گیرند، شروع به تعامل با ابر ماده تاریک یا هاله‌ای می‌کنند که در آن جاسازی شده‌اند. آنها اشاره کردند که گرانش SMBH های مارپیچی ذرات ماده تاریک را به بیرون از سیستم بیرون می کند و نادر بودن ماده تاریک در نتیجه به این معنی است که انرژی از این جفت استخراج نمی شود و مدارهای متقابل آنها دیگر فرو نمی ریزد.

در حالی که این مدل‌ها تأثیر ماده تاریک بر مدارهای SMBH را رد می‌کردند، مدل جدید آلونسو-آلوارز و همکارانش نشان می‌دهد که ذرات ماده تاریک به گونه‌ای با یکدیگر تعامل دارند که پراکنده نمی‌شوند. چگالی هاله ماده تاریک به اندازه‌ای بالا باقی می‌ماند که فعل و انفعالات بین ذرات و SMBHs همچنان مدار SMBH را مختل می‌کند و راه را برای ادغام باز می‌کند.

آلونسو-آلوارز می‌گوید: «احتمال برهم‌کنش ذرات ماده تاریک با یکدیگر، فرضی است که ما انجام دادیم، یک عنصر اضافی که همه مدل‌های ماده تاریک حاوی آن نیستند.» بحث ما این است که تنها مدل هایی با این ماده می توانند آخرین مشکل پارسک را حل کنند.

زمزمه پس زمینه ایجاد شده توسط این برخوردهای عظیم کیهانی متشکل از امواج گرانشی با طول موج بسیار بیشتر از این است. اولین بار در سال 2015 کشف شد توسط اخترفیزیکدانانی که رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) را اداره می کنند. این امواج گرانشی از ادغام دو سیاهچاله که جرم هر دو حدود 30 برابر خورشید است، ایجاد می شوند.

زمزمه پس‌زمینه در سال‌های اخیر توسط دانشمندانی که با آرایه زمان‌بندی Pulsar کار می‌کردند، کشف شد. این آرایه امواج گرانشی را با اندازه گیری تغییرات کوچک در سیگنال های تپ اخترها، ستاره های نوترونی که به سرعت در حال چرخش هستند و پالس های رادیویی قوی ساطع می کنند، تشخیص می دهد.

کلاین می گوید: “پیش بینی پیشنهاد ما این است که طیف امواج گرانشی مشاهده شده توسط آرایه های زمانی تپ اختری باید در فرکانس های پایین تضعیف شود.” “داده های فعلی از قبل به این رفتار اشاره دارند و داده های جدید ممکن است در چند سال آینده آن را تایید کنند.”

علاوه بر ارائه بینشی در مورد ادغام SBMH و سیگنال موج گرانشی پس زمینه، نتیجه جدید همچنین پنجره ای به ماهیت ماده تاریک ارائه می دهد.

آلونسو-آلورز می گوید: «کار ما راهی جدید برای کمک به درک ماهیت ذرات ماده تاریک است. ما دریافتیم که تکامل مدارهای سیاهچاله نسبت به میکروفیزیک ماده تاریک بسیار حساس است و این بدان معناست که می‌توانیم از مشاهدات ادغام سیاه‌چاله‌های بزرگ برای درک بهتر این ذرات استفاده کنیم.»

برای مثال، محققان دریافتند که فعل و انفعالات بین ذرات ماده تاریکی که آنها مدل‌سازی کردند، شکل هاله‌های ماده تاریک کهکشانی را نیز توضیح می‌دهد.

آلونسو-آلوارز می‌گوید: «ما دریافتیم که آخرین مشکل پارسک تنها در صورتی قابل حل است که ذرات ماده تاریک با سرعتی برهمکنش کنند که بتواند توزیع ماده تاریک را در مقیاس‌های کهکشانی تغییر دهد.» “این غیرمنتظره بود زیرا مقیاس های فیزیکی که در آن فرآیندها اتفاق می افتد سه یا چند مرتبه از هم فاصله دارند. هیجان انگیز است.”