وقتی تاریکی می‌درخشد: چگونه ستارگان تاریک می‌توانند کیهان اولیه را روشن کنند
توسط الکسی آ. پتروف، The Conversation
دانشمندانی که با تلسکوپ فضایی جیمز وب کار می‌کردند، در اوایل سال ۲۰۲۵ سه جسم نجومی عجیب کشف کردند که ممکن است نمونه‌هایی از ستارگان تاریک باشند. مفهوم ستارگان تاریک مدتی است که مطرح شده و می‌تواند درک دانشمندان از چگونگی شکل‌گیری ستارگان عادی را تغییر دهد. اما نام این پدیده تا حدودی گمراه‌کننده است.
«ستارگان تاریک» یکی از آن نام‌های نامطلوب است که در ظاهر، به‌دقت شیئی را که نمایان می‌کند توصیف نمی‌کند. ستارگان تاریک دقیقاً ستاره نیستند و مطلقاً تاریک هم نیستند.
با این حال، این نام جوهرهٔ این پدیده را به‌خوبی می‌گیرد. واژهٔ «تاریک» در نام آن، به‌روشنایی این اجسام اشاره نمی‌کند، بلکه به فرایندی اشاره دارد که آن‌ها را می‌درخشد—فرایندی که توسط مادهٔ مرموزی به نام مادهٔ تاریک تأمین می‌شود. عظمت این اجسام به‌گونه‌ای است که دسته‌بندی آن‌ها به‌عنوان ستاره دشوار می‌شود.
به‌عنوان یک فیزیکدان، من به مادهٔ تاریک جذب شده‌ام و سعی کرده‌ام با استفاده از شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای ردپای آن را مشاهده کنم. کنجکاو هستم که آیا ستارگان تاریک می‌توانند روش جایگزینی برای کشف مادهٔ تاریک ارائه دهند.
چرا مادهٔ تاریک تاریک است؟
مادهٔ تاریک که حدود ۲۷٪ از کل جهان را تشکیل می‌دهد اما قابل مشاهده مستقیم نیست، ایده‌ای کلیدی در پشت پدیدهٔ ستارگان تاریک است. اخترفیزیک‌دانان نزدیک به یک قرن است که این مادهٔ مرموز را بررسی می‌کنند، اما به‌جز اثرات گرانشی‌اش، شواهد مستقیم دیگری ندیده‌ایم. پس، چه عاملی مادهٔ تاریک را «تاریک» می‌کند؟
انسان‌ها عمدتاً کیهان را با تشخیص امواج الکترومغناطیسی منتشرشده یا بازتاب‌شده از اشیای مختلف می‌بینند. برای مثال، ماه به‌دلیل بازتاب نور خورشید به چشم عریان قابل رؤیت است. اتم‌های سطح ماه فوتون‌های ارسالی از خورشید را جذب می‌کنند؛ این جذب باعث می‌شود الکترون‌های داخل اتم‌ها حرکت کنند و بخشی از آن نور را به سمت ما بازتاب دهند.
تلسکوپ‌های پیشرفته‌تر امواج الکترومغناطیسی فراتر از طیف قابل‌دید، از جمله ماورای بنفش، فروسرخ یا امواج رادیویی را کشف می‌کنند. آن‌ها بر همان اصل عمل می‌کنند: اجزای باردار الکتریکی اتم‌ها به این امواج واکنش نشان می‌دهند. اما چگونه می‌توانند ماده‌ای—مادهٔ تاریک—را شناسایی کنند که نه تنها بار الکتریکی ندارد، بلکه هیچ جزء باردار الکتریکی هم در آن حضور ندارد؟
اگرچه دانشمندان هنوز ماهیت دقیق مادهٔ تاریک را نمی‌دانند، بسیاری از مدل‌ها حاکی هستند که از ذراتی بدون بار الکتریکی تشکیل شده است. این ویژگی مانع از مشاهدهٔ مادهٔ تاریک به همان روش مشاهدهٔ مادهٔ عادی می‌شود.
بر این باورند که مادهٔ تاریک از ذراتی تشکیل شده است که خودشان ضدذراتشان هستند. ضدذرات نسخهٔ «آیینه‌ای» ذرات را تشکیل می‌دهند؛ آن‌ها همان جرم را دارند اما بار الکتریکی و سایر ویژگی‌هایشان معکوس است. هنگامی که یک ذره با ضدذرهٔ خود مواجه می‌شود، هر دو یکدیگر را منقوص می‌کنند و در یک انفجار انرژی‌زا منجر می‌شود.
اگر ذرات مادهٔ تاریک خودشان ضدذراتشان باشند، هنگام برخورد با یکدیگر منقوص می‌شوند و می‌توانند مقادیر عظیم انرژی آزاد کنند. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند این فرایند نقش کلیدی در شکل‌گیری ستارگان تاریک دارد، به‌شرطی که چگالی ذرات مادهٔ تاریک درون این ستارگان به اندازه کافی بالا باشد. چگالی مادهٔ تاریک تعیین می‌کند که ذرات مادهٔ تاریک چقدر به‌ندرت یا به‌طور مکرر با یکدیگر برخورد و منقوص می‌شوند. اگر چگالی مادهٔ تاریک داخل ستارگان تاریک زیاد باشد، منقوص شدن‌ها به‌صورت مکرر رخ خواهد داد.
چه عواملی باعث می‌شود ستارهٔ تاریک بدرخشد؟
مفهوم ستارگان تاریک از یک سؤال بنیادی اما همچنان بدون پاسخ در اخترفیزیک نشأت می‌گیرد: ستارگان چگونه شکل می‌گیرند؟ در دیدگاه پذیرفته‌شده، ابرهای اولیهٔ هیدروژن و هلیوم—عناصری که در اولین لحظات پس از انبساط بزرگ (بیگ‌بانگ) حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش شکل گرفته‌اند—تحت تأثیر گرانش فرو می‌ریزند. این ابرها گرم می‌شوند و همجوشی هسته‌ای را آغاز می‌کنند، که به‌واسطهٔ تبدیل هیدروژن و هلیوم به عناصر سنگین‌تر، اولین نسل ستارگان را شکل می‌دهد.
در دیدگاه استاندارد از شکل‌گیری ستارگان، مادهٔ تاریک به‌عنوان یک عنصر منفعل در نظر گرفته می‌شود که صرفاً نیروی گرانشی خود را بر هرچیز اطراف، از جمله هیدروژن و هلیوم اولیه، اعمال می‌کند. اما اگر مادهٔ تاریک نقش فعال‌تری در این فرایند ایفا می‌کرد؟ این همان پرسشی است که گروهی از اخترفیزیک‌دانان در سال ۲۰۰۸ مطرح کردند.
در محیط چگال کیهان اولیه، ذرات مادهٔ تاریک با یکدیگر برخورد و منقوص می‌شوند و در این فرآیند انرژی آزاد می‌نمایند. این انرژی می‌تواند گاز هیدروژن و هلیوم را گرم کرده و از فروپاشی بیشتر آن جلوگیری کند؛ بدین ترتیب احتراق معمولی همجوشی هسته‌ای به‌تاخیر می‌افتد یا حتی مانع می‌شود.
نتیجه یک جسم شبیه‌ستاره خواهد بود—اما با انرژی‌گیری از گرم شدن توسط مادهٔ تاریک به‌جای همجوشی. بر خلاف ستارگان عادی، این ستارگان تاریک ممکن است عمر بسیار طولانی‌تری داشته باشند، زیرا تا زمانی که مادهٔ تاریک جذب می‌کنند، می‌درخشند. این ویژگی آن‌ها را از ستارگان عادی متمایز می‌کند؛ دمای پایین‌ترشان باعث انتشار کمتر ذرات مختلف می‌شود.
آیا می‌توانیم ستارگان تاریک را مشاهده کنیم؟
چند ویژگی منحصربه‌فرد به ستارشناسان در شناسایی ستارگان تاریک ممکن کمک می‌کند. نخست، این اجسام باید بسیار کهن باشند. همان‌طور که کیهان گسترش می‌یابد، فرکانس نوری که از اجسامی دور از زمین می‌آید کاهش می‌یابد و به سمت انتهای فراطیفۀ فروسرخ جابه‌جا می‌شود؛ به‌عبارت دیگر، «رِدشیفت» می‌شود. قدیمی‌ترین اجسام بیشترین رِدشیفت را به‌چشم مشاهده‌گر نشان می‌دهند.
از آنجایی که ستارگان تاریک از هیدروژن و هلیوم اولیه تشکیل می‌شوند، انتظار می‌رود که تقریباً هیچ عنصر سنگین‌تری مانند اکسیژن در ترکیبشان حضور نداشته باشد. این ستارگان بسیار بزرگ و سطحی سرد دارند، اما به‌دلیل اندازهٔ بزرگشان—و مساحت وسیعی که نور از آن ساطع می‌شود—درخشندگی بالایی دارند؛ چرا که مساحت گسترده سطح می‌تواند روشنایی سطح نسبتاً پایین را جبران کند.
همچنین انتظار می‌رود که این ستارگان عظیم باشند، با شعاعی حدود ده‌ها واحد نجومی—یک مقیاس کیهانی که برابر میانگین فاصلهٔ زمین تا خورشید است. برخی نظریات حاکی از این هستند که ستارگان تاریک فوق‌جذاب می‌توانند به‌جرمی حدود ۱۰٬۰۰۰ تا ۱۰ میلیون برابر جرم خورشید برسند، بسته به میزان مادهٔ تاریک و گاز هیدروژن یا هلیوم که در طول رشد جذب می‌دارند.
آیا ستارشناسان ستارگان تاریک را مشاهده کرده‌اند؟ شاید. داده‌های به‌دست آمده از تلسکوپ جیمز وب برخی از اشیای با رِدشیفت بسیار بالا را نشان داده‌اند که به‌نظر می‌رسد روشنایی بیشتری داشته و احتمالاً جرم بیشتری نسبت به آنچه دانشمندان برای کهکشان‌ها یا ستارگان اولیه معمولی انتظار دارند، دارند. این نتایج برخی پژوهشگران را به این‌گونه رهنما کرده‌اند که ستارگان تاریک می‌توانند این اشیاء را توضیح دهند.
به‌ویژه، یک مطالعهٔ اخیر که داده‌های تلسکوپ جیمز وب را تحلیل کرده، سه کاندیدای منطبق با مدل‌های ستارگان تاریک فوق‌جذاب شناسایی کرده است. پژوهشگران برای تشخیص این اجسام، مقدار هلیوم موجود در آن‌ها را بررسی کردند. چون منقوصی مادهٔ تاریک است که این ستارگان تاریک را گرم می‌کند، نه همجوشی هسته‌ای که هلیوم را به عناصر سنگین‌تر تبدیل می‌کند، انتظار می‌رود ستارگان تاریک حاوی هلیوم بیشتری باشند.
پژوهشگران تأکید می‌کنند که یکی از این اجسام نشانگر «شواهد قوی» جذب هلیوم بود؛ یعنی غلظت هلیوم بسیار بالاتر از آنچه برای کهکشان‌های اولیهٔ معمول انتظار می‌رفت.
ستارگان تاریک ممکن است سیاه‌چاله‌های اولیه را توضیح دهند
وقتی یک ستارهٔ تاریک مادهٔ تاریک خود را تمام می‌کند، چه می‌شود؟ این موضوع به اندازهٔ ستارهٔ تاریک بستگی دارد. برای ستارگان تاریک کم‌وزن، کمبود مادهٔ تاریک به این معنی است که گرانش هیدروژن باقی‌مانده را فشرده می‌کند و همجوشی هسته‌ای را روشن می‌سازد. در این حالت، ستارهٔ تاریک در نهایت به ستاره‌ای عادی تبدیل می‌شود؛ بنابراین برخی ستارگان ممکن است ابتدا به‌صورت ستارهٔ تاریک شکل گرفته باشند.
ستارگان تاریک فوق‌جذاب حتی جذابیت بیشتری دارند. در پایان دورهٔ حیات خود، یک ستارهٔ تاریک فوق‌جذاب مرده مستقیماً به یک سیاه‌چاله تبدیل می‌شود. این سیاه‌چاله می‌تواند گام نخست برای شکل‌گیری یک سیاه‌چالهٔ فوق‌جذاب باشد؛ همان‌گونه که ستارشناسان در مراکز کهکشان‌ها، از جمله راه شیری خودمان، مشاهده می‌کنند.
ستارگان تاریک همچنین می‌توانند چگونگی شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های فوق‌جذاب در کیهان اولیه را توضیح دهند. این پدیده می‌تواند روشنایی به برخی از سیاه‌چاله‌های خاصی که ستارشناسان مشاهده کرده‌اند بیفکند. برای مثال، سیاه‌چاله‌ای در کهکشان UHZ‑1 دارای جرمی نزدیک به ۱۰ میلیون جرم خورشیدی است و بسیار کهن است—چرا که تنها ۵۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته است. مدل‌های سنتی در تبیین این‌چنین سیاه‌چاله‌های عظیم در چنین دورهٔ کوتاهی ناتوان‌اند.
ایدهٔ ستارگان تاریک به‌طور کلی پذیرفته‌شده نیست. این کاندیداهای ستارهٔ تاریک ممکن است در نهایت فقط کهکشان‌های عجیب باشند. برخی اخترفیزیک‌دانان استدلال می‌کنند که تنها تجمع ماده—فرآیندی که در آن اجرام سنگین مادهٔ اطراف خود را جذب می‌کنند—می‌تواند ستارگان عظیم را تولید کند، و مطالعاتی که با استفاده از داده‌های تلسکوپ جیمز وب انجام شده‌اند، نمی‌توانند تمایزی واضح بین ستارگان عظیم عادی و ستارگان تاریک با چگالی کمتر و دمای پایین‌تر قائل شوند.
پژوهشگران تأکید می‌کنند برای کشف این معما، به داده‌های مشاهداتی بیشتر و پیشرفت‌های نظری نیاز دارند.