رفتار ماده ی تاریک در تقابل با سیاه چاله

از تلاش‌های بی‌وقفه در زمینه‌ی ماده تاریک می‌توان به تلاش ۱۵ ساله‌ی دانشمندان برای شبیه‌سازی کامپیوتری حالتی اشاره کرد که میلیون‌ها ذره در میدان جاذبه‌ی یک سیاه‌چاله قرار می‌گیرند. اما هدف اصلی شبیه‌سازی، پیگیری اتفاقی است که ذره در آن به یک گونه‌ای از انرژی قابل تشخیص تبدیل می‌شود.

۱۰۰ سال قبل نظریه‌ی عمومی نسبیت آلبرت اینیشتین کل علم فیزیک را دگرگون کرد. وقتی که دانشمندان قطعات پازل را براساس قوانین جدید کنار هم قرار دادند، متوجه شدند که عملکرد دنیای اطراف ما با آن چه که از آن انتظار می‌رود تفاوت دارد. برای مثال برخی کهکشان‌ها با سرعتی بیشتر از حد انتظار به دور یکدیگر می‌چرخیدند. چون سرعت تابعی از جرم است پس برای توجیه این اختلاف باید ذرات سنگین وزن و نامرئی وجود داشته باشند که درصد بالایی از جهان ما را تشکیل می‌دهند یعنی ۷۵ درصد آن را! دانشمندان این ذرات فرضی را ماده‌ی تاریک نام‌گذاری کرده و معتقدند آن‌ها از ذرات سنگین با برهم کنش ضعیف تشکیل شده‌اند.

مشکل اصلی در مورد ماده‌ی تاریک این است که تیره بوده و تقریباً دیدن آن غیر ممکن است. یک روش برای گذر از این مشکل جمع‌آوری مقدار زیادی ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف و انتظار برای برخورد این ذرات و آزادسازی انرژی آن‌ها است که نیاز به شتاب‌دهنده‌ی ذره بسیار بزرگی دارد. اما بهترین شتاب‌دهنده‌ی ذرات چیزی نیست جز سیاه‌چاله که در این زمینه بسیار قدرتمند عمل می‌کند.

منظور از سیاه‌چاله یک سیاه‌چاله‌ی بزرگ است که جرمی معادل میلیون‌ها برابر خورشید دارد که البته در جهان ما تعداد زیادی از این سیاه‌چاله‌ها وجود دارند. قبل از آن‌که به هسته‌ی مرکزی سیاه‌چاله برسید جایی که به قدری جاذبه قوی است که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند، به ارگوسفر می‌رسید که مانند یک طوفان بزرگ به شکل تخم مرغ است. اما به جای باد، میدان نیروی جاذبه‌ به قدری آن را می‌چرخاند که فضا-زمان را تاب می‌دهد. ارگوسفر پرجرم‌ترین و سریع‌ترین سیاه‌چاله‌ها، بهترین مکان برای ایجاد سرعت مناسب در ذرات سنگین با برهم‌کنش ضعیف هستند تا این ذرات به هم برخورد کرده و انرژی خود را به صورت امواج گاما آزاد کنند.

در شبیه‌سازی ویدیویی اشعه‌های گاما، ذرات درخشانی هستند که در سمت چپ سیاه‌چاله تجمع کرده‌اند. در سمت چپ در واقع خود فضا-زمان است که به سمت ما حرکت می‌کند و با خود این اشعه‌های گاما را می‌آورد و ممکن نیست ذره‌ای بتواند در خلاف جهت حرکت آن، حرکت کند