مطالعهای جدید نشان میدهد که یک مدل مشخص از مادهٔ تاریک میتواند در هستهٔ سیارات بزرگ فراخورشیدی تجمع کند، چگال شود و در نهایت تحت فروپاشی گرانشی به یک سیاهچالهٔ کوچک تبدیل شود. در صورتی که چنین اجرامی با جرمِ سیارهای یافت شوند، میتواند شواهدی قدرتمند در حمایت از وجود نوعی مادهٔ تاریک بسیار سنگین و غیرتخریبپذیر ارائه دهد.
پیشزمینهٔ علمی: مادهٔ تاریک و رفتارهای محتمل
مادهٔ تاریک حدود 85 درصد از مادهٔ جهان را تشکیل میدهد و وجودش از روی اثرات گرانشی قابل ردیابی است، اما تاکنون بهطور مستقیم شناسایی نشده است. یکی از دستههای مطرح نظریهها، حالتهایی را در نظر میگیرد که در آن ذرات مادهٔ تاریک بسیار سنگین هستند و «خود-تخریب» (self-annihilation) انجام نمیدهند؛ یعنی ذره و ضدذرهٔ متناظر نیستند. در چنین شرایطی ذرات میتوانند توسط سیارات عظیم جذب شوند، انرژی از دست بدهند و به هسته فرو روند.
چگونه مادهٔ تاریک در هستهٔ سیارات جمع میشود و فرو میریزد؟
مکانیسم جذب و تهنشینی
وقتی یک ذرهٔ مادهٔ تاریک سنگین از میان سیاره عبور میکند، ممکن است در برخوردهای ضعیف با هستهٔ گازی یا هستههای سنگی مقداری انرژی واگذار کند. پس از چند برخورد کافی، سرعت ذره کاهش مییابد و طی زمان به سمت هسته فرو میغلتد. در سیارات بسیار بزرگ مثل مشتریهای فراخورشیدی، این روند میتواند منجر به تجمع قابلتوجهی از ذرات تاریک در مرکز شود.
آستانهٔ فروپاشی گرانشی
اگر مقدار مادهٔ تاریک تجمعیافته به اندازهای برسد که گرانشِ خودِ آن غالب شود، کل این جرم میتواند فروپاشی گرانشی را تجربه کند و یک سیاهچالهٔ کوچک ایجاد شود. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، ریورساید — شامل مهراد فُروتان-مهر و تارا فِثِرُلف — نشان دادهاند که در شرایط معینی و برای ذرات «غیرتخریبپذیر و فوقسنگین» این فرایند در بازههای زمانیِ قابل رصد رخ میدهد.
پیامدها و راههای رصد
چنین سیاهچالههای «جرم-سیارهای» اگر وجود داشته باشند، پیامدهای مهمی دارند: ابتدا ممکن است سیاهچالهٔ ریز به تدریج سیاره را ببلعد و در نهایت کل جرم سیاره را به خود بدل کند. اندازهٔ افق رویداد یک سیاهچاله به جرم آن بستگی دارد؛ برای مثال یک سیاهچاله با جرم مشتری تنها حدود 5.6 متر قطر خواهد داشت — رقمی که آشکارسازی مستقیم آن را بسیار دشوار میکند.
روشهای مشاهدهای پیشنهادی
با وجود دشواری، تکنیکهایی وجود دارند که بتوانند وجود این اجرام را نشان دهند یا محدودیتهایی بر مدلها بگذارند: میکرولنزینگ گرانشی، تغییرات در زمان عبور و تردیدهای برافزایشی در نور ستارگان میزبان، اختلال در حرکت قمرها و نیز نوری که بهواسطهٔ فرآیندهای آکرتیونی نسبتا ضعیف منتشر میشود. نظرسنجیهای گستردهٔ فراخورشیدی و پایشِ نواحیِ مرکزی کهکشان (جایی که چگالیِ مادهٔ تاریک احتمالاً بیشتر است) میتوانند هدفهای ویژهای برای جستوجو باشند.
محدودیتها و فناوری مورد نیاز
چالش اصلی، محدودیتهای فناوری کنونی است. افق رویداد یک سیاهچالهٔ همجرم با مشتری آنقدر کوچک است که آشکارسازیِ مستقیم امواج گرانشی یا نورِ آکرتیونیِ آن فعلاً فراتر از توان اکثر ابزارهاست. با این حال، پروژههایی مانند OGLE، Gaia و آیندهنگریها در حوزهٔ تلسکوپهای بزرگ زمینپایه و فضایی، تقویت حساسیت میکرولنزینگ و اندازهگیریهای دقیق تغییرات زمانی میتوانند در دهههای آتی شواهد یا محدودیتهای محکمی فراهم کنند.
پیامدهای علمی و آیندهپژوهی
اگر جمعیتی از سیاهچالههای همجرم سیارهای کشف شود، این امر بهشدت از مدلِ «مادهٔ تاریک فوقسنگین و غیرتخریبپذیر» حمایت خواهد کرد. علاوه بر این، چنین کشفی میتواند راهنمایی برای توسعهٔ آزمایشهای زمینی و فضایی جدید باشد که روی ذرات با جرم بالا حساساند. در مقابل، اگر مطالعات آتی هیچ نشانهای ندیدند، بسیاری از پارامترهای این مدل محدود یا رد خواهند شد و عرصهٔ نظری به سمت گزینههای دیگر هدایت میشود.
نتیجه گیری
مطالعات جدید نشان میدهند که سیارات عظیم فراخورشیدی میتوانند نقش یک آشکارساز طبیعی برای برخی انواع مادهٔ تاریک بازی کنند: جذب، تجمع و فروپاشیِ مادهٔ تاریکِ فوقسنگین میتواند به تولید سیاهچالههای ریز منجر شود که بهتدریج سیاره را میبلعند. یافتن یا ردِ وجود چنین اجرامی، بینشهای عمیقی دربارهٔ ماهیت مادهٔ تاریک و فرایندهای گرانشی در مقیاسهای سیارهای فراهم خواهد کرد. پیشرفت در فناوریهای رصدی و تحلیل دادههای فراخورشیدی در سالهای آینده کلید اثبات یا تکذیب این سناریو خواهد بود.