ستاره‌های تاریک؛ کلید افشای راز تولد نخستین ستارگان جهان

به گزارش ایسنا، «ستاره‌های تاریک» از آن دسته نام‌هایی است که در نگاه اول، به‌درستی ماهیت پدیده‌ای را که توصیف می‌کند، نشان نمی‌دهد. ستاره‌های تاریک دقیقا ستاره نیستند و قطعا هم تاریک نیستند. «تاریک» در این نام به روشنایی این اجرام اشاره ندارد، بلکه به فرایندی اشاره می‌کند که باعث درخشیدن آن‌ها می‌شود. فرایندی که توسط ماده‌ای اسرارآمیز به نام «ماده‌ تاریک» هدایت می‌شود. اندازه بسیار بزرگ این اجرام، طبقه‌بندی آن‌ها به‌عنوان ستاره را دشوار می‌کند.

چه چیزی ماده تاریک را «تاریک» می‌کند؟

به نقل از اسپیس، ماده تاریک که حدود ۲۷ درصد از محتوای جهان را تشکیل می‌دهد، اما نمی‌توان آن را به‌طور مستقیم مشاهده کرد، ایده‌ای کلیدی در پس پدیده ستاره‌های تاریک است. اخترفیزیکدانان نزدیک به یک قرن است که این ماده اسرارآمیز را مطالعه می‌کنند، اما تاکنون هیچ شواهد مستقیمی از آن به‌جز اثرات گرانشی‌اش مشاهده نکرده‌ایم. پس چه چیزی ماده تاریک را تاریک می‌کند؟

انسان‌ها عمدتا جهان را با آشکارسازی امواج الکترومغناطیسی که از اجرام مختلف گسیل می‌شوند یا از آن‌ها بازتاب می‌یابند، مشاهده می‌کنند. برای مثال، ماه با چشم غیرمسلح دیده می‌شود، زیرا نور خورشید را بازتاب می‌دهد. اتم‌های سطح ماه، فوتون‌ها که ذرات نور هستند و از سوی خورشید ارسال می‌شوند را جذب می‌کنند و این جذب باعث جابه‌جایی الکترون‌ها درون اتم‌ها می‌شود و بخشی از آن نور به‌سوی ما بازتاب می‌یابد. تلسکوپ‌های پیشرفته‌تر، امواج الکترومغناطیسی خارج از محدوده نور مرئی، مانند فرابنفش، فروسرخ یا امواج رادیویی را آشکار می‌کنند. آن‌ها نیز از همین اصل استفاده می‌کنند: اجزای دارای بار الکتریکی در اتم‌ها به این امواج واکنش نشان می‌دهند. اما چگونه می‌توان ماده تاریک را آشکار کرد که نه‌تنها بار الکتریکی ندارد، بلکه هیچ جزء باردار الکتریکی هم در خود ندارد؟

اگرچه دانشمندان ماهیت دقیق ماده تاریک را نمی‌دانند، بسیاری از مدل‌ها پیشنهاد می‌کنند که این ماده از ذراتی با بار الکتریکی صفر تشکیل شده است. همین ویژگی باعث می‌شود مشاهده ماده تاریک به همان روشی که ماده معمولی را می‌بینیم، ناممکن باشد.

گمان می‌رود ماده تاریک از ذراتی تشکیل شده باشد که پادذره خودشان هستند. پادذره‌ها نسخه‌های «آینه‌ای» ذرات‌اند؛ آن‌ها جرم یکسان اما بار الکتریکی و برخی ویژگی‌های دیگرِ مخالف دارند. هنگامی که یک ذره با پادذره خود برخورد می‌کند، هر دو در یک انفجار انرژی یکدیگر را نابود می‌کنند.

اگر ذرات ماده تاریک پادذره خودشان باشند، با برخورد با یکدیگر نابود می‌شوند و احتمالا مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کنند. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که این فرایند، تا زمانی که چگالی ذرات ماده تاریک درون این ستاره‌ها به‌اندازه کافی بالا باشد، نقشی کلیدی در شکل‌گیری ستاره‌های تاریک ایفا می‌کند. چگالی ماده تاریک تعیین می‌کند که ذرات ماده تاریک هر چند وقت یک‌بار با هم برخورد کرده و نابود شوند. اگر چگالی ماده تاریک درون ستاره‌های تاریک بالا باشد، این نابودی‌ها به‌طور مکرر رخ می‌دهد.

چه چیزی باعث درخشیدن یک ستاره تاریک می‌شود؟

ایده ستاره‌های تاریک از یک پرسش بنیادی اما حل‌نشده در اخترفیزیک سرچشمه می‌گیرد: ستاره‌ها چگونه شکل می‌گیرند؟ بر اساس دیدگاه پذیرفته‌شده، ابرهایی از هیدروژن و هلیوم که نخستین عناصر شیمیایی که در دقایق اولیه پس از مه‌بانگ، حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش، شکل گرفتند هستند، تحت گرانش فرو ریختند. این ابرها داغ شدند و همجوشی هسته‌ای را آغاز کردند؛ فرایندی که در آن عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم ساخته شد. این روند به پیدایش نخستین نسل ستارگان انجامید.

در دیدگاه استاندارد شکل‌گیری ستاره‌ها، ماده تاریک عنصری منفعل در نظر گرفته می‌شود که صرفا نیروی گرانشی بر محیط اطراف خود از جمله هیدروژن و هلیوم نخستین اعمال می‌کند. اما اگر ماده تاریک نقشی فعال‌تر در این فرایند داشته باشد چه؟ دقیقا همین پرسش بود که گروهی از اخترفیزیک‌دانان در سال ۲۰۰۸ مطرح کردند.

در محیط متراکم جهان اولیه، ذرات ماده تاریک می‌توانستند با یکدیگر برخورد کرده و نابود شوند و در این فرایند انرژی آزاد کنند. این انرژی می‌توانست گاز هیدروژن و هلیوم را گرم کند، از فروپاشی بیشتر آن جلوگیری کند و آغاز معمول همجوشی هسته‌ای را به تاخیر بیندازد یا حتی به‌طور کامل مانع آن شود.

نتیجه، جرمی شبیه ستاره خواهد بود. جرمی که به‌جای همجوشی هسته‌ای، با گرمایش ناشی از ماده تاریک تغذیه می‌شود. برخلاف ستاره‌های معمولی، این ستاره‌های تاریک ممکن است عمر بسیار طولانی‌تری داشته باشند، زیرا تا زمانی که ماده تاریک را به‌سوی خود جذب می‌کنند، به درخشیدن ادامه می‌دهند. این ویژگی آن‌ها را از ستاره‌های عادی متمایز می‌کند، چراکه دمای سطحی پایین‌ترشان به گسیل کمتر انواع مختلف ذرات منجر می‌شود.

آیا می‌توان ستاره‌های تاریک را مشاهده کرد؟

چند ویژگی منحصربه‌فرد به اخترشناسان کمک می‌کند نامزدهای احتمالی ستاره‌های تاریک را شناسایی کنند. نخست اینکه این اجرام باید بسیار قدیمی باشند. با انبساط جهان، بسامد نوری که از اجرام بسیار دور به زمین می‌رسد کاهش می‌یابد و به بخش فروسرخ طیف الکترومغناطیسی جابه‌جا می‌شود که پدیده‌ای است که «انتقال به سرخ» نام دارد. قدیمی‌ترین اجرام، بیشترین انتقال به سرخ را نشان می‌دهند.

از آنجا که ستاره‌های تاریک از هیدروژن و هلیوم نخستین شکل می‌گیرند، انتظار می‌رود که مقدار بسیار کمی از عناصر سنگین‌تر، مانند اکسیژن، در خود داشته باشند یا اصلا نداشته باشند. آن‌ها بسیار بزرگ و در سطح خنک‌ترند، اما به‌شدت درخشان هستند، زیرا اندازه عظیمشان و مساحت سطحی بزرگی که نور گسیل می‌کند، روشنایی سطحی کمتر را جبران می‌کند.

همچنین انتظار می‌رود این اجرام بسیار عظیم باشند و شعاعی در حد ده‌ها واحد نجومی داشته باشند که واحدی است که برابر با فاصله متوسط زمین تا خورشید است. برخی از ستاره‌های تاریک فوق‌پرجرم، بسته به میزان ماده تاریک و گاز هیدروژن یا هلیومی که در طول رشد خود جذب می‌کنند، از نظر تئوری می‌توانند جرمی در حدود ۱۰ هزار تا ۱۰ میلیون برابر جرم خورشید داشته باشند.

پس آیا اخترشناسان تاکنون ستاره‌های تاریک را مشاهده کرده‌اند؟ شاید. داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب برخی اجرام با انتقال به سرخ بسیار بالا را آشکار کرده است که روشن‌تر و احتمالا پرجرم‌تر از آن چیزی هستند که دانشمندان برای کهکشان‌ها یا ستاره‌های اولیه معمول انتظار دارند. این نتایج برخی پژوهشگران را به این نتیجه رسانده که ستاره‌های تاریک می‌توانند توضیح‌دهنده این اجرام باشند.

ستاره‌های تاریک و سیاه‌چاله‌های اولیه

وقتی یک ستاره تاریک ماده تاریک خود را از دست می‌دهد، چه رخ می‌دهد؟ پاسخ به اندازه آن بستگی دارد. برای سبک‌ترین ستاره‌های تاریک، کاهش ماده تاریک به این معناست که گرانش، هیدروژن باقی‌مانده را فشرده می‌کند و همجوشی هسته‌ای آغاز می‌شود. در این حالت، ستاره تاریک در نهایت به یک ستاره معمولی تبدیل می‌شود؛ بنابراین ممکن است برخی ستارگان کار خود را به‌عنوان ستاره تاریک آغاز کرده باشند.

ستاره‌های تاریک فوق‌پرجرم حتی جذاب‌ترند. در پایان عمرشان، یک ستاره تاریک فوق‌پرجرمِ مرده می‌تواند مستقیما به یک سیاه‌چاله تبدیل شود. این سیاه‌چاله ممکن است آغازگر شکل‌گیری یک سیاه‌چاله فوق‌پرجرم باشد که از همان نوعی است که اخترشناسان در مرکز کهکشان‌ها، از جمله کهکشان راه شیری خودمان، مشاهده می‌کنند.

ستاره‌های تاریک همچنین ممکن است توضیح دهند که سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم چگونه در جهان اولیه شکل گرفته‌اند. آن‌ها می‌توانند راز برخی سیاه‌چاله‌های منحصربه‌فرد مشاهده‌شده توسط اخترشناسان را آشکار کنند. برای نمونه، سیاه‌چاله‌ای در کهکشان UHZ-۱ جرمی نزدیک به ۱۰ میلیون برابر جرم خورشید دارد و بسیار قدیمی است و این جرم تنها ۵۰۰ میلیون سال پس از مه‌بانگ شکل گرفته است. مدل‌های سنتی برای توضیح اینکه چنین سیاه‌چاله‌های عظیمی چگونه می‌توانسته‌اند در این مدت کوتاه شکل بگیرند، با دشواری روبه‌رو هستند.

ایده ستاره‌های تاریک مورد پذیرش همگانی نیست. ستاره‌های تاریک ممکن است در نهایت فقط کهکشان‌هایی غیرمعمول از آب درآیند. برخی اخترفیزیکدانان استدلال می‌کنند که فرایند برافزایش ماده یعنی کشیده شدن ماده پیرامون به‌سوی اجرام پرجرم به‌تنهایی می‌تواند ستاره‌های بسیار عظیم ایجاد کند و مطالعات مبتنی بر مشاهدات تلسکوپ جیمز وب نمی‌توانند به‌طور قطعی میان ستاره‌های معمولی بسیار پرجرم و ستاره‌های تاریکِ کم‌چگال‌تر و خنک‌تر تمایز قائل شوند.

پژوهشگران تاکید می‌کنند که برای حل این معما به داده‌های رصدی و پیشرفت‌های نظری بیشتری نیاز است.

منبع : ایسنا