یکی از شگفت‌انگیزترین رازهای جهان هستی، چیزی است که دانشمندان آن را «انرژی تاریک» می‌نامند. این نیروی مرموز که حدود 70 درصد از همه چیزهایی که در جهان وجود دارد را تشکیل می‌دهد، مسئول یک اتفاق عجیب است: جهان ما هر لحظه سریع‌تر و سریع‌تر بزرگ می‌شود. سال‌های زیادی است که دانشمندان می‌خواهند بفهمند منشا انرژی تاریک چیست و این انرژی از کجا می‌آید؛ نیرویی که برعکس جاذبه کار می‌کند و به جای اینکه جهان را کندتر کند، کهکشان‌ها را با سرعت بیشتری از همدیگر دور می‌کند.
تا همین چند وقت پیش، دانشمندان فکر می‌کردند انرژی تاریک یک «ثابت کیهانی» است؛ یعنی مقدار آن از ابتدای جهان تا حالا تغییری نکرده است. اما یک تحقیق تازه که در مجله مهم Physical Review Letters منتشر شده، این ایده قدیمی را زیر سوال می‌برد. این تحقیق نشان می‌دهد که انرژی تاریک احتمالاً در طول زمان تغییر می‌کند، و جالب‌تر اینکه می‌گوید: شاید خود سیاهچاله‌ها باعث ایجاد این نیرو هستند!
محققان در این نظریه جسورانه می‌گویند که وقتی ستاره‌های غول‌پیکر در پایان عمرشان منفجر شده و به سیاهچاله تبدیل می‌شوند، مواد عادی را کم کم به انرژی تاریک تبدیل می‌کنند. این ایده برای اولین بار، مشاهداتی که از ساختار بزرگ جهان، تابش باقی مانده از انفجار بزرگ و نقشه‌های کهکشانی داریم را به شکلی جدید و منطقی به هم وصل می‌کند و ما را یک قدم به فهمیدن منشا انرژی تاریک نزدیک‌تر می‌کند.
پروژه DESI و نقشه سه‌بعدی بی‌سابقه از کیهان
برای بررسی چنین ایده‌های بزرگی، به دستگاه‌های بسیار دقیقی نیاز داریم و اینجاست که «ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک» یا به اختصار DESI وارد بازی می‌شود. DESI یک ابزار نجومی پیشرفته است که در رصدخانه ملی کیت پیک در ایالت آریزونا قرار دارد و برای ساختن نقشه جهان طراحی شده است. این تلسکوپ با حدود 5000 «چشم» رباتیک، می‌تواند همزمان به طور همزمان نور میلیون‌ها کهکشان و دیگر اجرام دوردست را جمع‌آوری کرده و دقیق‌ترین نقشه سه‌بعدی از کیهان را در مقیاسی به وسعت میلیاردها سال نوری ترسیم کند.
در تحقیق جدید، دانشمندان از اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق DESI درباره نحوه قرار گرفتن کهکشان‌ها و دور شدن آن‌ها از یکدیگر استفاده کردند تا مدل‌های مختلف انرژی تاریک را امتحان کنند. وقتی آن‌ها این مشاهدات را با مدل استاندارد کیهان‌شناسی (که با نام Lambda-Cold-Dark-Matter یا ΛCDM شناخته می‌شود و انرژی تاریک را ثابت فرض می‌کند) مقایسه کردند، متوجه اختلاف‌های مهمی شدند؛ به خصوص در نحوه تغییر محتوای جهان در طول زمان. این اختلاف‌ها باعث شد که آن‌ها یک توضیح جدید ارائه بدهند؛ توضیحی که رابطه جالب بین سیاهچاله‌ها با بزرگ شدن جهان را مطرح می‌کند.
مدل جدید: سیاهچاله‌ها به عنوان کارخانه‌های تولید انرژی تاریک
بر اساس مدل جدیدی که محققان ارائه کرده‌اند، داستان با مرگ ستاره‌های خیلی بزرگ شروع می‌شود. وقتی این ستاره‌ها در آخر عمرشان منفجر شده و به سیاهچاله تبدیل می‌شوند، فقط جرم و انرژی را پشت دیوار نامرئی خودشان زندانی نمی‌کنند. بلکه آن‌ها به نوعی با کل جهان «جفت می‌شوند». این یعنی با بزرگ شدن جهان، انرژی درون این سیاهچاله‌ها هم متناسب با آن تغییر می‌کند. این ارتباط به آن‌ها اجازه می‌دهد که بخشی از جرم-انرژی خود را به شکل انرژی تاریک آزاد کرده و در سراسر جهان پخش کنند.
تصور کنید که در میلیاردها سال گذشته، تریلیون‌ها ستاره متولد شده‌اند، زندگی کرده‌اند و در نهایت به سیاهچاله تبدیل شده‌اند. طبق این مدل، هر یک از این اتفاق‌ها، مقدار کمی به میزان کلی انرژی تاریک در جهان اضافه کرده است. مجموع این فرآیندها در مقیاس کل جهان، باعث افزایش تدریجی انرژی تاریک در طول زمان می‌شود؛ چیزی که دقیقاً با مشاهداتی که از بزرگ شدن سریع‌تر جهان داریم، همخوانی دارد.
داده‌های به دست آمده از پروژه DESI با این سناریوی پویا بهتر جور درمی‌آیند تا با مدل‌هایی که در آن‌ها انرژی تاریک یک مقدار ثابت و بدون تغییر فرض شده است. با متصل کردن چرخه زندگی ستاره‌ها و سیاهچاله‌ها به رفتار کلی جهان، این پژوهش تصویری زنده از تکامل جهان ارائه می‌دهد که در آن، همان فرآیندهایی که سیاهچاله‌ها را می‌سازند، احتمالاً منشا انرژی تاریک و نیروی مرموزی هستند که کهکشان‌ها را از هم دور می‌کند.
حل معمای نوترینوها و جرم گمشده کیهان
اگرچه ایده اینکه سیاهچاله‌ها می‌توانند منشا انرژی تاریک باشند خیلی جذاب است، اما اهمیت واقعی این مطالعه در نحوه تغییر درک ما از تراز انرژی کل جهان است؛ به خصوص در ارتباط با دو ذره مرموز دیگر: نوترینوها و ماده تاریک.
نوترینوها ذراتی فوق‌العاده سبک و تقریباً نامرئی هستند که به تعداد زیاد در سراسر جهان در حال حرکت هستند. برای دهه‌ها، آزمایش‌های فیزیک ذرات تایید کرده‌اند که نوترینوها، هرچند خیلی کم، اما جرم دارند. این کشف خودش یک پیشرفت بزرگ بود، چون «مدل استاندارد فیزیک ذرات» در ابتدا آن‌ها را بدون جرم می‌دانست. اما زمانی که کیهان‌شناسان از مدل استاندارد کیهان‌شناسی (با انرژی تاریک ثابت) برای تطبیق داده‌های جهان استفاده می‌کردند، با یک مشکل بزرگ و غیرممکن مواجه می‌شدند. معادلات نشان می‌دادند که برای اینکه همه چیز جور دربیاید، نوترینوها باید جرم منفی داشته باشند! چیزی که از نظر فیزیکی اصلاً معنی ندارد.
اینجاست که مدل جدید مبتنی بر سیاهچاله، یک راه‌حل زیبا و هوشمندانه ارائه می‌دهد. اگر انرژی تاریک ثابت نباشد و در طول زمان به خاطر انرژی حاصل از انفجار ستاره‌ها رشد کند، یعنی مقدار کل ماده در جهان به آرامی در حال کاهش است (چون ماده به انرژی تاریک تبدیل می‌شود). این تغییر در تراز کلی انرژی-ماده جهان، دیگر دانشمندان را مجبور نمی‌کند که برای جور درآوردن حساب‌ها، جرم منفی برای نوترینوها در نظر بگیرند. در این مدل جدید، جهان می‌تواند هم نوترینوهایی با جرم مثبت داشته باشد (همانطور که در آزمایشگاه دیده شده) و هم با داده‌های مربوط به گروه‌بندی کهکشان‌ها و بزرگ شدن جهان که توسط پروژه DESI جمع‌آوری شده، کاملاً سازگار باشد.
این رویکرد به طور غیرمستقیم بر تخمین‌های مربوط به ماده تاریک نیز تأثیر می‌گذارد. از آنجایی که تغییر تراز کلی ماده-انرژی، برآوردهای ما از میزان ماده نادیده‌ای که برای توضیح ساختار جهان لازم است را تغییر می‌دهد، این مدل تصویری انعطاف‌پذیرتر و منطقی‌تر ارائه می‌دهد. در این چارچوب جدید، سیاهچاله‌ها، انرژی تاریک، ماده تاریک و نوترینوها دیگر اجزای جدا از هم نیستند، بلکه همگی در یک ساختار یکپارچه و در حال تکامل جهان با یکدیگر در ارتباط هستند.
نتیجه‌گیری: یک چشم‌انداز جدید برای آینده کیهان‌شناسی
نظریه‌ای که سیاهچاله‌ها را به عنوان منشا انرژی تاریک معرفی می‌کند، هنوز در مراحل اولیه خود قرار داشته و به بررسی‌ها و آزمون‌های بیشتری نیاز دارد. با این حال، این ایده یک پنجره جدید و هیجان‌انگیز به روی درک ما از کیهان باز کرده است. این مدل نه تنها یک توضیح بالقوه برای یکی از بزرگ‌ترین معماهای علم مدرن ارائه می‌دهد، بلکه قادر است مشکلات و ناسازگاری‌های موجود در مدل‌های قبلی، مانند معمای جرم نوترینو را نیز حل کند.
این پژوهش به ما یادآوری می‌کند که عمیق‌ترین اسرار کیهان ممکن است در پیوندهای غیرمنتظره بین پدیده‌هایی در مقیاس‌های کاملاً متفاوت نهفته باشد؛ از مرگ یک ستاره منفرد گرفته تا سرنوشت نهایی کل عالم. اگر این نظریه در آینده توسط مشاهدات بیشتر تایید شود، به این معنا خواهد بود که سیاهچاله‌ها، این هیولاهای گرانشی که همه چیز را می‌بلعند، در واقع نقشی حیاتی و سازنده در تکامل کیهان ایفا می‌کنند و نیروی محرکه‌ای هستند که فضا-زمان را به انبساط وا می‌دارند. این تغییر نگرش، بدون شک، فصل جدیدی را در کتاب کیهان‌شناسی خواهد گشود و ما را در مسیر کشف منشا انرژی تاریک به پیش خواهد راند.
