رفتار مولكول‌هاي گرانشي در اطراف سياهچاله‌ها مانند رفتار الكترون‌ها در اتم است
سياهچاله‌ها به خاطر ويژگي‌هاي متعدد از جمله سادگي معروف هستند. اين اجرام را مي‌توان حفره‌هايي ساده و سياه دانست. همين نگاه ساده به سياهچاله‌ها زمينه‌ساز انديشه متخصصينيه‌هاي موازي بين سياهچاله‌ها و ديگر شاخه‌هاي فيزيك شده است. براي مثال، طبق يافته‌هاي پژوهشگرها، نوع خاصي از ذره مي‌تواند دورتادور يك زوج سياهچاله‌اي بچرخد؛ مشابه الكترون در اطراف يك زوج اتم هيدروژن. اين ذره اولين نمونه از مولكول گرانشي است. اين جرم عجيب مي‌تواند راهگشاي پي‌بردن به ماهيت ماده‌ي تاريك و ماهيت نهايي فضا-زمان باشد.
نگاهي دقيق‌تر به مفهوم ميدان
براي درك پژوهش جديد كه نسخه‌ي پيش‌انتشار آن ماه سپتامبر در پايگاه داده‌ي arXiv منتشر شد، بايد به ماهيت مولكول گرانشي پي برد. درنتيجه در ابتدا بايد به بنيادي‌ترين ابعاد فيزيك مدرن پرداخت: ميدان. يك ميدان ابزاري رياضي براي نمايش سفر از نقطهاي به نقطهاي ديگر در جهان است. براي مثال، اگر گزارش هواشناسي تلويزيون درباره‌ي دماي يك نقطه‌ي مشخص را ببينيد، در حال مشاهده‌ي تعريفي از ميدان هستيد: وقتي در شهر يا استان خود سفر كنيد، مي‌دانيد دقيقا در كجا با چه دمايي روبه‌رو خواهيد شد.
بر اساس تعريف فوق، به ميدان، ميدان اسكالر هم گفته مي‌شود؛ اسكالر روش رياضي ذهني براي توصيف صرفا يك عدد مستقل است. انواع ديگر ميدان در حوزه‌ي فيزيك، مثل ميدان برداري يا ميدان تنسوري هم وجود دارند كه نماينده‌ي بيش از يك عدد براي هر موقعيت در فضا-زمان هستند. (براي مثال اگر به نقشه‌ي سرعت و جهت باد نگاه كنيد در حال تماشاي يك ميدان برداري هستيد)؛ اما متناسب با اهداف اين مقاله صرفا به نوع اسكالر خواهيم پرداخت.
در اواسط قرن بيستم، مفهوم ميدان مورد توجه فيزيك‌دان‌ها قرار گرفت. آن‌ها متوجه شدند همه چيز در جهان درواقع يك ميدان است. براي مثال يك الكترون را در انديشه متخصصين بگيريد. بر اساس مكانيك كوانتوم مي‌دانيم يافتن موقعيت دقيق يك الكترون در هر لحظه‌ي مشخص كار دشواري است. وقتي مكانيك كوانتوم براي اولين‌بار ظهور كرد، درك و حل اين مسئله كار دشواري بود تا اينكه ميدان به ميان آمد.
در فيزيك مدرن، الكترون به‌صورت يك ميدان تعريف مي‌شود. ميدان تعريفي رياضي است كه موقعيت دقيق الكترون را توصيف مي‌كند. اين ميدان نسبت به جهان اطراف واكنش نشان مي‌دهد (واكنش مي‌تواند به دليل تأثير الكتريكي هستهي اتم مجاور باشد) و خود را با موقعيت جديد هماهنگ مي‌كند. نتيجه‌ي نهايي، الكترون‌هايي است كه صرفا در مناطق مشخصي در اطراف هستهي يك اتم ظاهر مي‌شوند.
ياران سياهچاله
حالا مسئله را به مقياس سياهچاله‌ها بسط مي‌دهيم. در فيزيك اتمي مي‌توان يك ذره‌ي بنيادي مثل الكترون را با سه عدد توصيف كرد: جرم، اسپين و بار الكتريكي. در فيزيك گرانشي مي‌توان يك سياهچاله را هم با سه عدد توصيف كرد: جرم، اسپين و بار الكتروني. آيا اين تعاريف اتفاقي است؟ پاسخ مشخص نيست؛ اما فعلا مي‌توان از اين تشابه براي درك بهتر سياهچاله‌ها استفاده كرد.
در زبان فيزيك ذرات، مي‌توان يك اتم را به‌صورت هسته‌اي كوچك تعريف كرد كه با يك ميدان الكتروني احاطه شده است. اين ميدان الكتروني به هسته واكنش نشان مي‌دهد و باعث مي‌شود الكترون‌ها در مناطق خاصي ظاهر شوند. همين مسئله براي الكترون‌هاي اطراف دو هسته در يك مولكول دواتمي مثل هيدروژن (H2) صدق مي‌كند.
مي‌توان محيط سياهچاله را هم بر اساس تعريف فوق توصيف كرد. فرض كنيد تكينگي كوچك در قلب سياهچاله همان هستهي اتم و محيط اطراف آن (ميدان اسكالر) مشابه تعريف ذرات زيراتمي باشد. اين ميدان اسكالر به وجود سياهچاله واكنش نشان مي‌دهد و باعث مي‌شود ذرات متناظر تنها در مناطقي خاص ظاهر شوند. درست مانند مولكول‌هاي دواتمي مي‌توان ميدان‌هاي اسكالر اطراف دو سياهچاله مثل يك منظومه‌ي سياهچاله‌اي دودويي را توصيف كرد.
بر اساس يافته‌هاي مؤلفان مقاله، ميدان‌هاي اسكالر مي‌توانند در اطراف سياهچاله‌هاي دودويي هم وجود داشته باشند. همچنين مي‌توانند الگوهاي خاصي شكل دهند كه مشابه تركيب ميدان‌هاي الكتروني اطراف اتم‌ها هستند. درنتيجه، رفتار ميدان‌هاي اسكالر در اين سناريو مشابه رفتار الكترون در مولكول‌هاي دواتمي است.
اما دليل جذابيت ميدان‌هاي اسكالر چيست؟ هنوز انسان ماهيت ماده‌ي تاريك يا انرژي تاريك را درك نكرده است و از طرفي، درست مانند الكترون‌ها كه از ميدان الكتروني تشكيل شده‌اند، ماده يا انرژي تاريك هم مي‌تواند تركيبي از يك يا چند ميدان اسكالر باشد.
اگر ماده‌ي تاريك، تركيبي از نوعي ميدان اسكالر باشد، درنتيجه ماده‌ي تاريك در حالتي بسيار عجيب در اطراف سياهچاله‌هاي دودويي وجود دارد: ذرات تاريك اسراراميزي كه مانند الكترون‌هاي اطراف اتم، ممكن است در مدارهايي مشخص وجود داشته باشند.
اما سياهچاله‌هاي دودويي، براي هميشه دوام نمي‌آورند؛ بلكه تشعشعات گرانشي منتشر مي‌كنند و در نهايت با يكديگر برخورد مي‌كنند و به يك سياهچاله تبديل مي‌شوند. اين ميدان‌هاي اسكالر ماده‌ي تاريك بر تمام امواج گرانشي منتشر‌شده از برخوردها تأثير مي‌گذارند و تمام امواج عبوري از مناطق پرتراكم ماده‌ي تاريك را منحرف مي‌كنند و تغيير شكل مي‌دهند. درنتيجه مي‌توان اين نوع ماده‌ي تاريك را با استفاده حساسيت كافي در آشكارسازهاي موج گرانشي كشف كرد. به‌طور خلاصه، دانشمندان به‌زودي مي‌توانند ماهيت مولكول‌هاي گرانشي را تأييد كنند و پنجره‌اي جديد به سمت ماهيت اسرارآميز ماده‌ي تاريك باز كنند.
نسخه‌ي اصلي اين مقاله در Live Science منتشر شد.
هم انديشي ها