شباهت رفتار مولکول‌های گرانشی در اطراف سیاهچاله‌ها به رفتار الکترون‌ها در اتم+عکس

به گزارش جام جم آنلاین به نقل از زومیت، سیاهچاله‌ها به خاطر ویژگی‌های متعدد از جمله سادگی معروف هستند. این اجرام را می‌توان حفره‌هایی ساده و سیاه دانست. همین نگاه ساده به سیاهچاله‌ها زمینه‌ساز نظریه‌های موازی بین سیاهچاله‌ها و دیگر شاخه‌های فیزیک شده است. برای مثال، طبق یافته‌های پژوهشگرها، 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 راهگشای پی‌بردن به ماهیت ماده‌ی تاریک و ماهیت نهایی فضا-زمان باشد.

 

نگاهی دقیق‌تر به مفهوم میدان
برای درک پژوهش جدید که نسخه‌ی پیش‌انتشار آن ماه سپتامبر در پایگاه داده‌ی arXiv منتشر شد، باید به ماهیت مولکول گرانشی پی برد. درنتیجه در ابتدا باید به بنیادی‌ترین ابعاد فیزیک مدرن پرداخت: میدان. یک میدان ابزاری ریاضی برای نمایش سفر از نقطه‌‌ای به نقطه‌ای دیگر در جهان است. برای مثال، اگر گزارش هواشناسی تلویزیون درباره‌ی دمای یک نقطه‌ی مشخص را ببینید، در حال مشاهده‌ی تعریفی از میدان هستید: وقتی در شهر یا استان خود سفر کنید، می‌دانید دقیقا در کجا با چه دمایی روبه‌رو خواهید شد.
بر اساس تعریف فوق، به میدان، میدان اسکالر هم گفته می‌شود؛ اسکالر روش ریاضی ذهنی برای توصیف صرفا یک عدد مستقل است. انواع دیگر میدان در حوزه‌ی فیزیک، مثل میدان برداری یا میدان تنسوری هم وجود دارند که نماینده‌ی بیش از یک عدد برای هر موقعیت در فضا-زمان هستند. (برای مثال اگر به نقشه‌ی سرعت و جهت باد نگاه کنید در حال تماشای یک میدان برداری هستید)؛ اما متناسب با اهداف این مقاله صرفا به نوع اسکالر خواهیم پرداخت.
در اواسط قرن بیستم، مفهوم میدان مورد توجه فیزیک‌دان‌ها قرار گرفت. آن‌ها متوجه شدند همه چیز در جهان درواقع یک میدان است. برای مثال یک الکترون را در نظر بگیرید. بر اساس مکانیک کوانتوم می‌دانیم یافتن موقعیت دقیق یک الکترون در هر لحظه‌ی مشخص کار دشواری است. وقتی مکانیک کوانتوم برای اولین‌بار ظهور کرد، درک و حل این مسئله کار دشواری بود تا اینکه 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 هسته‌‌ی اتم مجاور باشد) و خود را با موقعیت جدید هماهنگ می‌کند. نتیجه‌ی نهایی، الکترون‌هایی است که صرفا در مناطق مشخصی در اطراف هسته‌ی یک اتم ظاهر می‌شوند.

یاران سیاهچاله‌
حالا مسئله را به مقیاس سیاهچاله‌ها بسط می‌دهیم. در فیزیک اتمی می‌توان یک ذره‌ی 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 فعلا 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 دواتمی مثل هیدروژن (H2) صدق می‌کند.
می‌توان محیط سیاهچاله‌ را هم بر اساس تعریف فوق توصیف کرد. فرض کنید تکینگی کوچک در قلب سیاهچاله همان هسته‌ی 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 دواتمی می‌توان میدان‌های اسکالر اطراف دو سیاهچاله‌ مثل یک منظومه‌ی سیاهچاله‌ای دودویی را توصیف کرد.
بر اساس یافته‌های مؤلفان مقاله، 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. درنتیجه، رفتار میدان‌های اسکالر در این سناریو مشابه رفتار الکترون در مولکول‌های دواتمی است.
اما دلیل جذابیت میدان‌های اسکالر چیست؟ هنوز انسان ماهیت ماده‌ی تاریک یا انرژی تاریک را درک نکرده است 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 ماده‌ی تاریک، ترکیبی از نوعی میدان اسکالر باشد، درنتیجه ماده‌ی تاریک در حالتی بسیار عجیب در اطراف سیاهچاله‌های دودویی وجود دارد: ذرات تاریک اسرارامیزی 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 می‌کنند و به یک سیاهچاله تبدیل می‌شوند. این میدان‌های اسکالر ماده‌ی تاریک بر تمام امواج گرانشی منتشر‌شده از برخوردها تأثیر می‌گذارند و تمام امواج عبوری از مناطق پرتراکم ماده‌ی تاریک را منحرف می‌کنند و تغییر شکل می‌دهند. درنتیجه می‌توان این نوع ماده‌ی تاریک را با استفاده حساسیت کافی در آشکارسازهای موج گرانشی کشف کرد. به‌طور خلاصه، دانشمندان به‌زودی می‌توانند ماهیت مولکول‌های گرانشی را تأیید کنند و پنجره‌ای جدید به سمت ماهیت اسرارآمیز ماده‌ی تاریک باز کنند.