اندماجات الثقوب السوداء الهائلة.. «المادة المظلمة» تحل اللغز الكوني

في دراسة رائدة، اكتشف العلماء رابطا رائعا بين بعض أكبر الأجسام في الكون، وهي الثقوب السوداء فائقة الكتلة (SMBHs) وجزيئات المادة المظلمة، وقد يساعد هذا الفهم الجديد في حل اللغز الكوني الذي حير علماء الفلك لسنوات.

ولفهم ما جاء بالدراسة المنشورة في دورية “فيزيكال ريفيو ليترز”، تخيل أنك تحاول جمع كلبين كبيرين (يمثلان الثقوب السوداء الهائلة) معا في حديقة، لكن عندما يقتربان من بعضهما، يتوقفان فجأة ويبدآن في الدوران حول بعضهما البعض، غير قادرين على الاقتراب.

ويوضح هذا السيناريو “مشكلة الفرسخ الفلكي النهائية” في علم الفلك، حيث لا يمكن دمج أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة عندما تكون المسافة بينهما حوالي ثلاث سنوات ضوئية.

وقد وجد الباحثون الآن حلا محتملا لهذه المشكلة من خلال دراسة دور “الرياح” غير المرئية في الحديقة الكونية (المادة المظلمة)، ففي البداية، كان يُعتقد أن هذه الرياح تطفئ آثار الرائحة التي تساعد الكلاب (الثقوب السوداء الهائلة) في العثور على بعضها البعض، لكن الحسابات الجديدة تكشف أنه إذا كانت هذه الرياح تتمتع بخاصية خاصة تسمح لها بالدوران والتفاعل مع نفسها، فإنها في الواقع يمكن أن تساعد الكلاب على مواصلة الاقتراب حتى تلتقي.

وفي عام 2023، اكتشف علماء الفيزياء الفلكية “همهمة” من موجات الجاذبية تتخلل الكون، مفترضين أنها جاءت من ملايين الأزواج المندمجة من الثقوب السوداء الهائلة، كل منها أكبر بمليارات المرات من شمسنا.

ومع ذلك، أظهرت عمليات المحاكاة النظرية أن هذه الأجرام السماوية العملاقة توقفت في اقترابها عندما كانت تفصل بينها مسافة فرسخ فلكي تقريبًا، مما منع الاندماج.

وتُظهر الدراسة الحديثة، الموصوفة في دورية “فيزيكال ريفيو ليترز”، أن تأثير المادة المظلمة الذي تم التغاضي عنه سابقًا يمكن أن يساعد الثقوب السوداء فائقة الكتلة في التغلب على هذا الانفصال النهائي والالتحام.

ومن خلال تضمين تفاعلات جسيمات المادة المظلمة، وجد الباحثون أن كثافة هالة المادة المظلمة تظل عالية بما يكفي للتفاعلات بين الجسيمات والثقوب فائقة الضخامة، مما يمهد الطريق للاندماج.

ويقول غونزالو ألونسو ألفاريز، المؤلف المشارك وزميل ما بعد الدكتوراه في جامعة تورنتو وجامعة ماكجيل بكندا إن “احتمال تفاعل جسيمات المادة المظلمة مع بعضها البعض هو افتراض قمنا به، وهو مكون إضافي لا تحتوي عليه جميع نماذج المادة المظلمة، وحجتنا هي أن النماذج التي تحتوي على هذا المكون فقط هي التي يمكنها حل مشكلة الفرسخ الفلكي النهائية”.

ولا يوفر هذا الاكتشاف نظرة ثاقبة لعمليات اندماج الأجسام فائقة الدقة وإشارة خلفية موجة الجاذبية فحسب، بل يوفر أيضا نافذة على طبيعة المادة المظلمة، وتشير النتائج التي توصل إليها الباحثون إلى أن التفاعلات بين جسيمات المادة المظلمة يمكن أن تفسر أشكال هالات المادة المظلمة المجرية.

بالإضافة إلى ذلك، فإن همهمة الخلفية التي تم اكتشافها في السنوات الأخيرة بواسطة مصفوفة توقيت النجم النابض، والتي تكشف عن موجات الجاذبية عن طريق قياس الاختلافات الدقيقة في الإشارات الصادرة عن النجوم النابضة، يمكن فهمها بشكل أفضل من خلال هذا النموذج الجديد.

ويتوقع الباحثون أن طيف موجات الجاذبية التي رصدتها مصفوفات توقيت النجوم النابضة يجب أن يتم تخفيفه عند الترددات المنخفضة، وهو السلوك الذي تشير إليه البيانات الحالية بالفعل وقد تؤكده البيانات الجديدة في السنوات المقبلة.

ويقول ألونسو ألفاريز: “إن عملنا هو طريقة جديدة لمساعدتنا على فهم الطبيعة الجزيئية للمادة المظلمة، لقد وجدنا أن تطور مدارات الثقب الأسود حساس للغاية للفيزياء الدقيقة للمادة المظلمة، وهذا يعني أنه يمكننا استخدام ملاحظات اندماج الثقوب السوداء فائقة الكتلة لفهم هذه الجسيمات بشكل أفضل.”

ويوضح هذا الإنجاز كيف أن التفاعل الذي يبدو بسيطًا في الكون، مثل الرياح الدوامة التي تساعد الكلاب على الالتقاء في حديقة، يمكن أن يوفر رؤى عميقة لبعض الظواهر الأكثر غموضا في الكون، ومع استمرار الباحثين في استكشاف هذه الروابط، فإننا نقترب من كشف أسرار المادة المظلمة والقوى الديناميكية التي تشكل عالمنا