رفتار مولکول‌های گرانشی در اطراف سیاه‌چاله‌ها مانند رفتار الکترون‌ها در اتم است

محققان طی مطالعه‌ای دریافته‌اند رفتار مولکول‌های گرانشی اطراف سیاه‌چاله‌ها ممکن است مشابه رفتار الکترون‌های اطراف هست اتم باشد. این کشف می‌تواند زمینه‌ساز پی‌ بردن به ماهیت ماده تاریک شود. سیاه‌چاله‌ها به‌خاطر ویژگی‌های متعدد از جمله سادگی معروف هستند؛ این اجرام را می‌توان حفره‌هایی ساده و سیاه دانست. همین نگاه ساده به سیاه‌چاله‌ها زمینه‌ساز نظریه‌های موازی میان آن‌ها و دیگر شاخه‌های فیزیک شده است.

محققان طی مطالعه‌ای دریافته‌اند رفتار مولکول‌های گرانشی اطراف سیاه‌چاله‌ها ممکن است مشابه رفتار الکترون‌های اطراف هست اتم باشد. این کشف می‌تواند زمینه‌ساز پی‌بردن به ماهیت ماده تاریک شود. سیاه‌چاله‌ها به‌خاطر ویژگی‌های متعدد از جمله سادگی معروف هستند؛ این اجرام را می‌توان حفره‌هایی ساده و سیاه دانست. همین نگاه ساده به سیاه‌چاله‌ها زمینه‌ساز نظریه‌های موازی میان آن‌ها و دیگر شاخه‌های فیزیک شده است.

اکنون طبق یافته‌های پژوهشگران نوع خاصی از ذره می‌تواند دورتادور یک زوج سیاه‌چاله‌ای بچرخد؛ مشابه الکترون در اطراف یک زوج اتم هیدروژن. این ذره اولین نمونه از مولکول گرانشی است. این جرم عجیب می‌تواند در پی‌بردن به ماهیت ماده تاریک و ماهیت نهایی فضا – زمان راهگشا باشد.

 نگاهی دقیق‌تر به مفهوم میدان

برای درک این پژوهش باید به ماهیت مولکول گرانشی پی برد که برای این منظور ابتدا باید به بنیادی‌ترین ابعاد فیزیک مدرن یعنی میدان پرداخت. یک میدان ابزاری ریاضی برای نمایش سفر از نقطه‌ای به نقطه دیگر در جهان است. برای مثال، اگر گزارش هواشناسی تلویزیون درباره دمای یک نقطه مشخص را ببینید، در حال مشاهده تعریفی از میدان هستید. وقتی در شهر یا استان خود سفر کنید، می‌دانید دقیقاً در کجا با چه دمایی روبه‌رو خواهید شد.

بر اساس تعریف فوق به چنین میدانی، میدان نرده‌ای یا نرده هم گفته می‌شود. اسکالر روش ریاضی ذهنی برای توصیف صرفاً یک عدد مستقل است. انواع دیگر میدان در حوزه فیزیک مثل میدان برداری یا میدان تنسوری هم وجود دارند که نماینده بیش از یک عدد برای هر موقعیت در فضا – زمان هستند. به‌عنوان نمونه، اگر به نقشه سرعت و جهت باد نگاه کنید در حال تماشای یک میدان برداری هستید.

در اواسط قرن بیستم میلادی مفهوم میدان موردتوجه فیزیک‌دانان قرار گرفت. آن‌ها متوجه شدند همه چیز در جهان در واقع یک میدان است! مثلاً یک الکترون را در نظر بگیرید؛ بر اساس مکانیک کوانتوم یافتن موقعیت دقیق یک الکترون در هر لحظه مشخص کار دشواری است. وقتی مکانیک کوانتوم برای اولین‌بار ظهور کرد، درک و حل این مسئله کار دشواری بود تا اینکه موضوع میدان به میان آمد.

در فیزیک مدرن الکترون به‌صورت یک میدان تعریف می‌شود. میدان تعریفی ریاضی است که موقعیت دقیق الکترون را توصیف می‌کند. این میدان نسبت به جهان اطراف واکنش نشان می‌دهد (واکنش می‌تواند به دلیل تأثیر الکتریکی هسته اتم مجاور باشد) و خود را با موقعیت جدید هماهنگ می‌کند. نتیجه نهایی، الکترون‌هایی است که صرفاً در مناطق مشخصی در اطراف هسته یک اتم ظاهر می‌شوند.

 همتایان سیاه‌چاله

در فیزیک ذرات می‌توان یک‌ذره بنیادی مثل الکترون را با سه عدد توصیف کرد؛ جرم، اسپین و بار الکتریکی. در فیزیک گرانشی می‌توان یک سیاه‌چاله را هم با سه عدد توصیف کرد؛ جرم، اسپین و بار الکترونی. آیا این تعاریف اتفاقی است؟ پاسخ مشخص نیست، اما فعلاً می‌توان از این تشابه برای درک بهتر سیاه‌چاله‌ها استفاده کرد.در زبان فیزیک ذرات، می‌توان یک اتم را به‌صورت هسته‌ای کوچک تعریف کرد که با یک میدان الکترونی احاطه شده است.

این میدان الکترونی به هسته واکنش نشان می‌دهد و باعث می‌شود الکترون‌ها در مناطق خاصی ظاهر شوند. همین مسئله برای الکترون‌های اطراف دو هسته در یک مولکول دو اتمی مثل هیدروژن صدق می‌کند.می‌توان محیط سیاه‌چاله را هم بر اساس تعریف فوق توصیف کرد. فرض کنید تکینگی کوچک در قلب سیاه‌چاله همان هسته اتم و محیط اطراف آن (میدان اسکالر)، مشابه تعریف ذرات زیراتمی باشد.

این میدان اسکالر به وجود سیاه‌چاله واکنش نشان می‌دهد و باعث می‌شود ذرات متناظر تنها در مناطقی خاص ظاهر شوند. درست مانند مولکول‌های دو اتمی می‌توان میدان‌های اسکالر اطراف دو سیاه‌چاله مثل یک منظومه سیاه‌چاله‌ای دودویی (Binary black hole) را توصیف کرد.بر اساس یافته‌های پژوهشگران، میدان‌های اسکالر می‌توانند در اطراف سیاه‌چاله‌های دودویی هم وجود داشته باشند. همچنین می‌توانند الگوهای خاصی شکل دهند که مشابه ترکیب میدان‌های الکترونی اطراف اتم‌ها هستند. در نتیجه، رفتار میدان‌های اسکالر در این فرایند، مشابه رفتار الکترون در مولکول‌های دو اتمی است.

اما دلیل جذابیت میدان‌های اسکالر چیست؟ هنوز انسان ماهیت ماده تاریک یا انرژی تاریک را درک نکرده و از طرفی درست مانند الکترون‌ها که از میدان الکترونی تشکیل شده‌اند، ماده یا انرژی تاریک هم می‌تواند ترکیبی از یک یا چند میدان اسکالر باشد. اگر ماده تاریک ترکیبی از نوعی میدان اسکالر باشد، در نتیجه ماده تاریک در حالتی بسیار عجیب در اطراف سیاه‌چاله‌های دودویی وجود دارد؛ ذرات تاریک اسرارآمیزی که مانند الکترون‌های اطراف اتم ممکن است در مدارهایی مشخص وجود داشته باشند.

اما سیاه‌چاله‌های دودویی برای همیشه دوام نمی‌آورند، بلکه تشعشعات گرانشی منتشر می‌کنند و در نهایت با یکدیگر برخورد کرده و به یک سیاه‌چاله تبدیل می‌شوند. این میدان‌های اسکالر ماده تاریک بر تمام امواج گرانشی منتشرشده از برخوردها تأثیر می‌گذارند و تمام امواج عبوری از مناطق پرتراکم ماده تاریک را منحرف نموده و تغییر شکل می‌دهند. در نتیجه می‌توان این نوع ماده تاریک را با استفاده حساسیت کافی در آشکارسازهای موج گرانشی کشف کرد. به طور خلاصه، دانشمندان به‌زودی می‌توانند ماهیت مولکول‌های گرانشی را تأیید کنند و پنجره‌ای جدید به سمت ماهیت اسرارآمیز ماده تاریک باز کنند.