فیزیکدانان پیچ خوردگی‌های نظری را در فضا-زمان کشف کرده‌اند که می‌توانند به جای سیاهچالهها اشتباه گرفته شوند. بر اساس مطالعه جدید دانشمندان این پیچ خوردگی‌ها در تار و پود فضا-زمان که به عنوان «سالیتون‌های توپولوژیک» (Topological Solitons) شناخته می‌شوند، می‌توانند در سراسر جهان کمین کرده باشند.
سیاهچالهها توسط نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده‌اند و ستاره‌شناسان می‌دانند که چگونه شکل می‌گیرند؛ تنها چیز لازم این است که یک ستاره پرجرم زیر وزن خود فرو بپاشد و گرانش بدون وجود هیچ نیروی دیگری که در برابر آن مقاومت کند، مواد را به داخل خود بکشد؛ این امر تا زمانی ادامه دارد که تمام مواد ستاره به یک نقطه بی‌نهایت کوچک فشرده به نام تکینگی (Singularity) تبدیل شود.
سیاهچاله چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟
تکینگی گرانشی یا تکینگی فضا-زمان موقعیتی در فضا-زمان است که طبق پیش‌بینی نسبیت عام، در آن چگالی و میدان گرانشی یک جرم آسمانی بی‌نهایت می‌شوند؛ به طوری که دیگر این کمیت‌ها وابسته به دستگاه مختصات مورد استفاده نخواهند بود. این کمیت‌ها، همان انحنای فضا-زمان هستند که شاخصی از چگالی ماده هستند.
تکینگی فضا-زمان دو نوع مهم دارد که تکینگی منحنی و تکینگی مخروطی نام دارند. کمیت‌های مورد استفاده برای اندازه‌گیری قدرت میدان گرانشی، خمیدگی‌هایی از فضا-زمان هستند که چگالی ماده را نیز می‌سنجند. از آنجا که چنین کمیت‌هایی در نقطه تکینگی بی‌نهایت می‌شوند، قوانین فضا-زمان معمولی نیز در چنین نقاطی می‌شکنند.
فضا-زمان عبارت است از یک مدل ریاضی که زمان و فضا را به صورت درهم‌تنیده و به عنوان یک کمیت پیوسته با یکدیگر ترکیب می‌کند. بر اساس فرضیه‌های مفهوم فضای اقلیدسی (Euclidean Space)، جهان سه بعد مکانی و یک بعد زمانی مستقل از هم دارد. در فضا-زمان سه بعد فضا و یک بعد زمان درهم ادغام می‌شوند و یک محیط پیوسته چهار بعدی را ایجاد می‌کنند.
معمولا فضای اقلیدسی را با فضا یا مختصات دکارتی در سه بعد یکسان در نظر می‌گیریم. در این مختصات می‌توان بردارهای سه بعدی را نمایش داده و محاسبات مربوط به چنین بردارهایی را اجرا و نتایج را نشان داد. در ریاضیات جدید، فضای اقلیدسی می‌تواند براساس ابعاد بیشتر نیز تعریف و به کار گرفته شود.
فیزیکدان‌ها با ترکیب فضا و زمان و ایجاد یک محیط خمیده واحد، توانسته‌اند نظریه‌های فیزیک را هم در سطح کیهانی و هم در بعد اتمی ساده‌سازی کنند.
جالب است بدانید اطراف تکینگی، یک افق رویداد (Event Horizon) وجود دارد. افق رویداد یک مرز نامرئی است که لبه سیاهچاله را مشخص می‌کند. هر چیزی که از افق رویداد عبور کند، هرگز نمی‌تواند از آن خارج شود.
مشکل اصلی این است که نقاطی با چگالی نامحدود واقعا نمی‌توانند وجود داشته باشند. بنابراین وقتی نسبیت عام وجود سیاهچالهها را پیش‌بینی می‌کند و ما اجرام نجومی زیادی پیدا کرده‌ایم که طبق پیش‌بینی نظریه اینشتین رفتار می‌کنند، می‌فهمیم هنوز تصویر کاملی نداریم. می‌دانیم که تکینگی باید با چیزی معقول‌تر جایگزین شود، اما نمی‌دانیم آن چیز چیست. پی بردن به آن مستلزم درک بسیار قوی از گرانش در مقیاس‌های بسیار کوچک است که گرانش کوانتومی (Quantum Gravity) نامیده می‌شود.
تا به امروز، ما هیچ نظریه کوانتومی قابل قبولی در مورد گرانش نداریم، اما چندین گزینه داریم. یکی از این گزینه‌ها، نظریه ریسمان (String theory) است که نشان می‌دهد تمام ذره‌های تشکیل دهنده جهان ما واقعا از ریسمان‌های ارتعاشی کوچک ساخته شده‌اند.
نظریه ریسمان چه چیزی را بیان می‌کند؟
نظریه ریسمان یک چهارچوب نظری فراهم می‌آورد که در آن ذره‌های نقطه‌ای فیزیک ذره‌ها با اشیای یک بعدی به نام ریسمان‌ها جایگزین شده‌اند. این نظریه به توصیف این می‌پردازد که چگونه ریسمان‌ها در فضا منتشر شده و با همدیگر برهم‌کنش می‌کنند. در مقیاس‌های بزرگ‌تر از ابعاد ریسمان‌ها، ریسمان‌ها شبیه ذره‌های نقطه‌ای هستند که جرم، بار و دیگر خواص آن‌ها توسط وضعیت ارتعاشی هر ریسمان مشخص می‌شود.
در نظریه ریسمان، یکی از حالت‌های متعدد ارتعاشی متناظر با گراویتون (Graviton) است. گراویتون ذره‌ای در مکانیک کوانتومی به شمار می‌آید که نیروی گرانش را حمل می‌کند؛ لذا نظریه ریسمان به نوعی نظریه گرانشی کوانتوم هم هست.
نظریه ریسمان موضوع گسترده و متنوعی محسوب می‌شود که در تلاش است تعدادی از مسائل عمیق فیزیک بنیادی را حل کند. این نظریه برای مسائل متعددی در فیزیک سیاهچاله و کیهان‌شناسی اولیه جهان اعمال شده و موجب پیشرفت‌های عمده‌ای در ریاضیات محض گردیده است.
هنوز مشخص نیست نظریه ریسمان تا چه حد توصیف‌کننده جهان واقعی است یا این که اصولا این نظریه تا چه میزان آزادی عمل در انتخاب جزئیاتش را خواهد داد.
دقیقا همان ویژگی‌هایی که مطالعه نظریه ریسمان‌ها را به عنوان نظریه‌ای برای نیروی هسته‌ای قوی نامناسب می‌کند، نظریه ریسمان را گزینه امیدوارکننده‌ای برای نظریه گرانش کوانتومی نشان می‌دهد.
اولین نسخه‌های نظریه ریسمان، یعنی نظریه ریسمان بوزونی (Bosonic String Theory)، تنها ذره‌هایی به نام بوزون‌ها را به کار می‌گرفت. بعدها نظریه ریسمان به نظریه ابرریسمان (Superstring Theory) گسترش پیدا کرد که رابطه ابرتقارنی (Supersymmetry) بین بوزون‌ها و دسته‌ای دیگر از ذره‌ها به نام فرمیون‌ها (Fermion) را فرض قرار می‌داد. در یک نظریه ابرمتقارن برای هر نوع بوزون یک نوع فرمیون متناظر وجود دارد و بالعکس.
در اواخر ۱۹۹۷ میلادی، نظریه پردازان رابطه مهمی به نام تناظر AdS/CFT را کشف کردند، که نظریه ریسمان‌ها را به دیگر نظریه فیزیکی به نام نظریه میدان‌های کوانتومی مرتبط می‌ساخت.
رشته‌های مطرح‌شده در نظریه ریسمان برای توضیح طیف گسترده‌ای از ذره‌های ساکن در جهان ما نمی‌توانند فقط در سه بعد فضایی معمولی ارتعاش کنند. نظریه ریسمان وجود ابعاد اضافی را پیش‌بینی می‌نماید که همگی در مقیاسی کوچک و غیرقابل درک روی خودشان جمع شده‌اند و این یعنی آن‌قدر کوچک هستند که نمی‌توانیم بگوییم این ابعاد آن جا وجود دارند. این عمل جمع کردن ابعاد فضایی اضافی در مقیاس‌های بسیار کوچک می‌تواند به اشیای بسیار جالبی منجر شود.
سالیتون توپولوژیک یا سیاهچاله؟
پژوهشگران در این مطالعه جدید پیشنهاد کردند که ابعاد اضافی فشرده مذکور می‌توانند منجر به نقص شوند. مانند چروکی که هر چقدر هم پیراهن خود را اتو می‌کنید، نمی‌توانید از شر آن خلاص شوید، این عیوب نیز پایدار و نقص‌هایی دائمی در ساختار فضا-زمان یا همان سالیتون توپولوژیک هستند. فیزیکدانان معتقدند این سالیتون‌ها تا حد زیادی شبیه به سیاهچالهها به نظر می‌رسند و مانند آن‌ها نیز عمل می‌کنند.
پژوهشگران بررسی کردند که پرتوهای نور هنگام عبور از نزدیکی یکی از این سالیتون‌ها چگونه رفتار می‌کنند. آن‌ها دریافتند سالیتون‌ها تقریبا به همان روشی که یک سیاهچاله روی نور تاثیر می‌گذارد، اثر می‌گذارند. نور در اطراف سالیتون‌ها خم می‌شود و حلقه‌های مداری پایدار تشکیل می‌دهد و سالیتون‌ها سایه می‌اندازند.
به عبارت دیگر در تصاویر معروف تلسکوپ افق رویداد که برای اولین بار در تاریخ در سال ۲۰۱۹ روی سیاهچاله M87* بزرگ‌نمایی کرد، اگر به جای یک سیاهچاله، سالیتون‌ها در مرکز تصویر باشند، تقریبا یکسان به نظر می‌رسند.
وقتی از نزدیک این اجرام را بررسی کنید، این شباهت به پایان می‌رسد. سالیتون‌های توپولوژیک، تکینگی نیستند و در نتیجه افق رویداد ندارند. شما می‌توانید هر چقدر که می‌خواهید به یک سالیتون نزدیک شوید و همچنین هر وقت بخواهید می‌توانید آن را ترک کنید.
متاسفانه ما هیچ سیاه‌چاله‌ای که به اندازه کافی به ما نزدیک باشد، نداریم تا بتوانیم در اطراف آن کاوش کنیم و بنابراین فقط می‌توانیم به مشاهده اجرام دور اعتماد کنیم. اگر هر سالیتون توپولوژیکی کشف شود، مکاشفه آن نه تنها یک بینش وسیع از ماهیت گرانش به ما می‌دهد، بلکه ما را قادر می‌سازد تا به طور مستقیم ماهیت گرانش کوانتومی و نظریه ریسمان را نیز مطالعه کنیم.