ستاره‌های تاریک؛ کلید افشای راز تولد نخستین ستارگان جهان

«ستارگان تاریک» یکی از آن نام‌هایی است که در نگاه اول ماهیت پدیده‌ای را که توصیف می‌کنند منعکس نمی‌کند. ستاره های تاریک کاملاً ستاره نیستند و مطمئناً تاریک نیستند. “تاریکی” در این نام به روشنایی این اشیاء نیست، بلکه به روندی اشاره دارد که به درخشندگی آنها منجر می شود. فرآیندی که توسط ماده ای مرموز به نام “ماده تاریک” هدایت می شود. اندازه بسیار بزرگ این اجرام طبقه بندی آنها به عنوان ستاره را دشوار می کند.

چه چیزی ماده تاریک را “تاریک” می کند؟

به گزارش اسپیس، ماده تاریک که حدود 27 درصد از کیهان را تشکیل می دهد اما نمی توان مستقیماً آن را مشاهده کرد، ایده اصلی پشت پدیده ستاره تاریک است. اخترفیزیکدانان نزدیک به یک قرن است که این ماده اسرارآمیز را مورد مطالعه قرار داده اند، اما تاکنون هیچ مدرک مستقیمی از آن جز اثرات گرانش آن ندیده ایم. پس چه چیزی ماده تاریک را تاریک می کند؟

انسانها جهان را عمدتاً با تشخیص امواج الکترومغناطیسی ساطع شده یا منعکس شده توسط اجسام مختلف مشاهده می کنند. به عنوان مثال، ماه با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است زیرا نور خورشید را منعکس می کند. اتم های سطح ماه فوتون ها را جذب می کنند که ذرات نوری هستند که از خورشید ارسال می شوند. این جذب باعث می شود که الکترون های درون اتم ها حرکت کنند و بخشی از آن نور به سمت ما منعکس می شود. تلسکوپ‌های پیشرفته‌تر امواج الکترومغناطیسی خارج از محدوده نور مرئی، مانند امواج ماوراء بنفش، مادون قرمز یا امواج رادیویی را تشخیص می‌دهند. آنها همچنین از همین اصل استفاده می کنند: اجزای باردار الکتریکی در اتم ها با این امواج تعامل دارند. اما چگونه می توان ماده تاریک را که نه تنها بار الکتریکی ندارد بلکه جزء باردار الکتریکی نیز ندارد، تشخیص داد؟

اگرچه دانشمندان ماهیت دقیق ماده تاریک را نمی‌دانند، چندین مدل نشان می‌دهند که این ماده از ذرات بدون بار الکتریکی تشکیل شده است. این ویژگی باعث می شود نتوان ماده تاریک را به همان شکلی که ما ماده معمولی می بینیم مشاهده کرد.

تصور می شود که ماده تاریک از ذراتی تشکیل شده است که ضد ذرات خودشان هستند. پادذرات کپی‌های آینه‌ای از ذرات هستند. جرم آنها یکسان است اما بار الکتریکی و برخی خواص متضاد دیگر. هنگامی که یک ذره با پاد ذره خود برخورد می کند، آنها در یک موج انرژی یکدیگر را از بین می برند.

اگر ذرات ماده تاریک ضد ذرات خودشان بودند، با هم برخورد می‌کردند و از بین می‌رفتند و به طور بالقوه مقادیر زیادی انرژی آزاد می‌کردند. دانشمندان انتظار دارند تا زمانی که چگالی ذرات ماده تاریک درون این ستارگان به اندازه کافی زیاد باشد، این فرآیند نقش عمده ای در شکل گیری ستارگان تاریک داشته باشد. چگالی ماده تاریک تعیین می کند که ذرات ماده تاریک چند بار با هم برخورد کرده و از بین می روند. اگر چگالی ماده تاریک در داخل ستارگان تاریک زیاد باشد، چنین نابودی‌هایی مکرر اتفاق می‌افتد.

چه چیزی باعث درخشش یک ستاره تاریک می شود؟

ایده ستاره های تاریک از یک سوال اساسی اما حل نشده در اخترفیزیک ناشی می شود: ستاره ها چگونه تشکیل می شوند؟ بر اساس دیدگاه پذیرفته شده، ابرهای هیدروژن و هلیوم، اولین عناصر شیمیایی که در اولین دقایق پس از انفجار بزرگ، در حدود 13.8 میلیارد سال پیش شکل گرفتند، تحت تأثیر گرانش فرو ریختند. این ابرها داغ شدند و شروع به همجوشی هسته ای کردند. فرآیندی که در آن عناصر سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم سنتز می‌شوند. این روند منجر به تولد اولین نسل از ستارگان شد.

در دیدگاه استاندارد شکل‌گیری ستارگان، ماده تاریک یک عنصر غیرفعال است که تنها نیروی گرانشی بر محیط اطراف خود، از جمله هیدروژن و هلیوم اولیه، اعمال می‌کند. اما اگر ماده تاریک نقش فعال تری در این فرآیند داشت چه؟ این دقیقاً سؤالی بود که توسط گروهی از اخترفیزیکدانان در سال 2008 مطرح شد.

در محیط متراکم کیهان اولیه، ذرات ماده تاریک می توانند با هم برخورد کرده و یکدیگر را از بین ببرند و در این فرآیند انرژی آزاد کنند. این انرژی می تواند گاز هیدروژن و هلیوم را گرم کند و از فروپاشی بیشتر آن جلوگیری کند و شروع طبیعی همجوشی هسته ای را به تاخیر بیاندازد یا حتی از آن جلوگیری کند.

نتیجه یک جرم ستاره مانند خواهد بود. سوخت این جرم از گرمایش از ماده تاریک به جای همجوشی هسته ای تامین می شود. برخلاف ستارگان معمولی، این ستارگان تاریک ممکن است عمر بسیار طولانی تری داشته باشند زیرا تا زمانی که ماده تاریک را جذب می کنند به درخشش خود ادامه می دهند. این ویژگی آنها را از ستارگان معمولی متمایز می کند، زیرا دمای سطح پایین آنها منجر به انتشار کمتر انواع مختلف ذرات می شود.

آیا ستاره های تاریک دیده می شوند؟

چندین ویژگی منحصر به فرد به اخترشناسان کمک می کند تا نامزدهای احتمالی ستاره های تاریک را شناسایی کنند. اول اینکه این چیزها باید خیلی قدیمی باشند. با انبساط جهان، فرکانس نوری که از اجسام بسیار دور به زمین می‌رسد کاهش می‌یابد و به قسمت فروسرخ طیف الکترومغناطیسی می‌رود، پدیده‌ای که به “تغییر قرمز” معروف است. قدیمی ترین اشیاء بیشترین انتقال به قرمز را نشان می دهند.

از آنجایی که ستارگان تاریک عمدتاً از هیدروژن و هلیوم تشکیل شده‌اند، انتظار می‌رود که عناصر سنگین‌تری مانند اکسیژن در آنها کم باشد یا اصلاً وجود نداشته باشد. آنها در سطح بسیار بزرگتر و سردتر هستند، اما بسیار روشن هستند زیرا اندازه بسیار زیاد و سطح بزرگ آنها که از آن نور ساطع می کنند، روشنایی کم سطح را جبران می کند.

همچنین انتظار می‌رود این اجرام بسیار پرجرم باشند، با شعاع ده‌ها واحد نجومی، واحدی برابر با میانگین فاصله زمین تا خورشید. در تئوری، برخی از ستارگان تاریک بسیار پرجرم می توانند جرمی در حدود 10000 تا 10000000 برابر جرم خورشید داشته باشند، بسته به مقدار ماده تاریک و هیدروژن یا گاز هلیوم که هنگام رشد جذب می کنند.

آیا ستاره شناسان قبلا ستاره های تاریک را دیده اند؟ داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب ممکن است برخی اجرام با انتقال به سرخ بسیار بالا را نشان داده باشد که درخشان‌تر و شاید پرجرم‌تر از آن چیزی است که دانشمندان برای کهکشان‌ها یا ستاره‌های مدل اولیه انتظار دارند. این نتایج برخی از محققان را به این نتیجه رسانده است که ستاره های تاریک می توانند این اجرام را توضیح دهند.

ستاره های تاریک و سیاهچاله های اولیه

وقتی یک ستاره تاریک ماده تاریک خود را از دست می دهد چه اتفاقی می افتد؟ پاسخ به اندازه آن بستگی دارد. برای ستارگان تاریک روشن تر، فرسودگی ماده تاریک به این معنی است که گرانش هیدروژن باقی مانده را فشرده می کند و همجوشی هسته ای آغاز می شود. در این صورت ستاره تاریک در نهایت به یک ستاره معمولی تبدیل می شود. بنابراین، برخی از ستاره ها ممکن است به عنوان ستاره های تاریک شروع شده باشند.

ستاره های تاریک عظیم حتی با شکوه تر هستند. در پایان عمر خود، یک ستاره مرده، پرجرم و تاریک می تواند مستقیماً به یک سیاهچاله سقوط کند. این سیاهچاله ممکن است پیشروی برای تشکیل یک سیاهچاله بسیار پرجرم باشد، نوعی که ستاره شناسان در مراکز کهکشان ها از جمله راه شیری خودمان می بینند.

ستارگان تاریک همچنین ممکن است توضیح دهند که چگونه سیاهچاله های بسیار پرجرم در کیهان اولیه شکل گرفته اند. آنها می توانند راز برخی از سیاهچاله های منحصر به فرد مشاهده شده توسط ستاره شناسان را فاش کنند. به عنوان مثال، سیاهچاله در کهکشان UHZ-1 تقریباً 10 میلیون برابر خورشید جرم دارد و بسیار قدیمی است و تنها 500 میلیون سال پس از انفجار بزرگ شکل گرفته است. مدل‌های سنتی برای توضیح چگونگی شکل‌گیری چنین سیاه‌چاله‌های عظیمی در چنین زمانی کوتاه تلاش می‌کنند.

ایده ستاره های تاریک به طور کلی پذیرفته نشده است. ستاره های تاریک ممکن است به کهکشان های غیرعادی تبدیل شوند. برخی از اخترفیزیکدانان استدلال می کنند که فرآیند برافزایش، کشیدن مواد اطراف به سمت اجرام پرجرم، به تنهایی می تواند ستاره های بسیار پرجرم ایجاد کند، و مطالعات مبتنی بر مشاهدات JST نمی تواند به طور قطعی بین ستارگان بسیار پرجرم معمولی و ستاره های تاریک کم جرم تمایز قائل شود.

محققان تاکید می کنند که برای حل این معما به داده های مشاهده ای و پیشرفت های نظری بیشتری نیاز است.