أسبوع الثقب الأسود على قدم وساق، وللاحتفال، أوضحت وكالة ناسا كيف ستبحث أداتها الفلكية الرئيسية التالية، تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي، عن الثقوب السوداء الصغيرة التي يعود تاريخها إلى الانفجار الكبير.
عندما نفكر في الثقوب السوداء، فإننا نميل إلى تصور وحوش كونية ضخمة مثل الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية والتي تبلغ كتلتها عشرات إلى مئات المرات كتلة الشمس. قد نتصور أيضًا ثقوبًا سوداء هائلة الكتلة تبلغ كتلتها ملايين (أو حتى مليارات) أضعاف كتلة الشمس، وهي تقبع في قلوب المجرات وتهيمن على محيطها.
ومع ذلك، يرى العلماء أن الكون يمكن أيضًا أن يكون مأهولًا بثقوب سوداء أقل كتلة إلى حد كبير، ووزن الريشة نسبيًا، وكتلتها تقارب كتلة الأرض. من المحتمل أن تكون كتلة هذه الثقوب السوداء منخفضة مثل كتلة كويكب كبير. ويشير العلماء أيضًا إلى أن مثل هذه الثقوب السوداء كانت موجودة منذ فجر التاريخ، قبل حوالي 13.8 مليار سنة.
ظلت هذه الثقوب السوداء، التي أُطلق عليها اسم “الثقوب السوداء البدائية”، نظرية بحتة، لكن رومان، الذي من المقرر إطلاقه في أواخر عام 2026، يمكن أن يغير ذلك.
ذات صلة: قد تكون الثقوب السوداء الصغيرة التي خلفها الانفجار الكبير هي المشتبه بهم الرئيسيين في المادة المظلمة
“إن اكتشاف مجموعة من الثقوب السوداء البدائية ذات كتلة الأرض سيكون خطوة مذهلة لكل من علم الفلك وفيزياء الجسيمات لأن هذه الأجسام لا يمكن أن تتشكل من خلال أي عملية فيزيائية معروفة”، كما يقول ويليام ديروكو، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا سانتا كروز. وقال الذي قاد فريقا يدرس كيف تمكن رومان من الكشف عن هذه الثقوب السوداء الصغيرة القديمة، في بيان “إذا عثرنا عليها، فسوف يهز مجال الفيزياء النظرية”.
عندما يتعلق الأمر بآفاق الحدث، فالكتلة مهمة
أصغر الثقوب السوداء التي تم التأكد من وجودها على الإطلاق هي الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، والتي يتم إنشاؤها عندما ينفد الوقود اللازم للاندماج النووي في قلوب النجوم الضخمة. وبمجرد توقف هذا الاندماج، تنهار هذه النجوم تحت تأثير جاذبيتها. عادةً، الحد الأدنى من الكتلة التي يحتاجها النجم لترك ثقب أسود ذو كتلة نجمية هو ثمانية أضعاف كتلة الشمس، أي كتلة أخف، وسينهي النجم حياته كنجم نيوتروني أو قزم أبيض مشتعل.
ومع ذلك، كانت الظروف في الكون عند بدايته مختلفة تمامًا عن ظروف العصر الحديث. عندما كان الكون في حالة حارة وكثيفة ومضطربة، ربما سمح لتكتلات أصغر بكثير من المادة بالانهيار وولادة ثقوب سوداء.
“تبدأ” جميع الثقوب السوداء عند حدود خارجية تسمى “أفق الحدث”، وهي النقطة التي لا يستطيع الضوء بعدها الهروب من تأثيرات جاذبيتها. المسافة بين أفق الحدث والتفرد المركزي للثقب الأسود، وهي النقطة ذات الكثافة اللانهائية التي تنهار عندها جميع قوانين الفيزياء، يتم تحديدها من خلال كتلة الثقب الأسود.
وهذا يعني أنه في حين أن أفق الحدث للثقب الأسود الهائل M87*، الذي تبلغ كتلته حوالي 2.4 مليار مرة كتلة الشمس، يبلغ قطره حوالي 15.4 مليار ميل (24.8 مليار كيلومتر)، فهو ثقب أسود ذو كتلة نجمية سيكون لكتلة 30 شمسًا أفق حدث يبلغ عرضه حوالي 110 ميلًا (عرض 177 كيلومترًا). من ناحية أخرى، فإن الثقب الأسود البدائي الذي تبلغ كتلته كتلة الأرض، سيكون له أفق حدث لا يزيد عرضه عن عشرة سنتات. سيكون للثقب الأسود البدائي الذي تبلغ كتلته كتلة كويكب أفق حدث بعرضه أصغر من البروتون.
يعتقد العلماء الذين يدعمون مفهوم الثقوب السوداء البدائية أنها ولدت عندما مر الكون بنوبة من التضخم الأولي أطلقنا عليها اسم الانفجار الكبير. نظرًا لأن الكون يتسارع بسرعة أكبر من الضوء (هذا ممكن لأنه على الرغم من أنه لا يوجد شيء يمكن أن يتحرك بشكل أسرع من الضوء داخل الفضاء، فإن الفضاء نفسه يستطيع ذلك)، يقترح العلماء أن المناطق الأكثر كثافة من المناطق المحيطة بها يمكن أن تنهار لولادة ثقوب سوداء منخفضة الكتلة.
ومع ذلك، فإن العديد من الباحثين لا يدعمون مفهوم الثقوب السوداء البدائية الموجودة في الكون الحالي، وذلك بسبب ستيفن هوكينج.
هل تموت الثقوب السوداء؟
تشير إحدى النظريات الأكثر ثورية لستيفن هوكينج إلى أنه حتى الثقوب السوداء لا يمكن أن تستمر إلى الأبد. اعتقد عالم الفيزياء العظيم أن الثقوب السوداء “تسرب” شكلاً من أشكال الإشعاع الحراري، وهو المفهوم الذي سمي فيما بعد “إشعاع هوكينج” تكريما له.
عندما تسرّب الثقوب السوداء إشعاع هوكينغ، فإنها تفقد كتلتها وتنفجر في النهاية. كلما كانت كتلة الثقب الأسود أصغر، كلما كان تسرب إشعاع هوكينج أسرع. وهذا يعني أنه بالنسبة للثقوب السوداء فائقة الكتلة، فإن هذه العملية ستستغرق وقتًا أطول من عمر الكون. لكن الثقوب السوداء الصغيرة سوف تتسرب بشكل أسرع بكثير، وبالتالي يجب أن تموت بشكل أسرع.
ومن ثم، فمن الصعب أن نفسر كيف يمكن للثقوب السوداء البدائية أن تظل موجودة لمدة 13.8 مليار سنة دون أن “تختفي”. إذا اكتشف الرومان هذه الحفريات الكونية، فسيشكل ذلك إعادة تفكير كبيرة في العديد من مبادئ الفيزياء.
وقال كايلاش ساهو، عالم الفلك في معهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور والذي لم يشارك في الدراسة، في البيان: “سيؤثر ذلك على كل شيء بدءًا من تكوين المجرات وحتى محتوى المادة المظلمة في الكون وحتى التاريخ الكوني”. “سيكون تأكيد هوياتهم عملاً شاقاً، وسيحتاج علماء الفلك إلى الكثير من الإقناع، لكن الأمر يستحق ذلك”.
إن اكتشاف الثقوب السوداء البدائية لن يكون بالأمر السهل أيضًا. مثل أي ثقب أسود، ستكون هذه الفراغات مقيدة بأفق الحدث ولا ينبعث منها ولا تعكس الضوء. وهذا يعني أن الطريقة الوحيدة لاكتشافها هي استخدام المبدأ الذي طوره ألبرت أينشتاين في نظريته عن الجاذبية عام 1915 والمعروفة باسم النسبية العامة.
التعاون مع أينشتاين
تتنبأ النسبية العامة بأن جميع الأجسام ذات الكتلة تسبب انحناء في نسيج المكان والزمان، متحدين ككيان واحد رباعي الأبعاد يسمى “الزمكان”. عندما يمر الضوء من مصدر الخلفية عبر الالتواء، يكون مساره منحنيًا. كلما اقترب الضوء من الجسم العدساتي، كلما كان مساره منحنيًا أكثر. وهذا يعني أن الضوء من نفس الجسم يمكن أن يصل إلى التلسكوب في أوقات مختلفة. وهذا ما يسمى عدسة الجاذبية.
عندما يكون جسم العدسة ضخمًا بشكل لا يصدق، مثل المجرة، يمكن أن يبدو مصدر الخلفية وكأنه يتحول إلى موضع واضح أو حتى يظهر في أماكن متعددة في نفس الصورة. إذا كان جسم العدسة أصغر في الكتلة، مثل الثقب الأسود البدائي، فإن تأثير العدسة يكون أصغر، لكنه يمكن أن يسبب سطوع مصادر الخلفية التي يمكن اكتشافها. وهذا هو التأثير الذي يسمى التعديس الميكروي.
حاليًا، يتم استخدام التعديس الميكروي بشكل كبير لاكتشاف الكواكب المارقة، أو العوالم التي تنجرف عبر مجرة درب التبانة بدون نجمها الأم. لقد كشف هذا عن عدد كبير من الكائنات المارقة التي تعادل كتلة الأرض تقريبًا – أكثر من الناحية النظرية؛ تتنبأ النماذج، في الواقع. وبهذا النمط، يتوقع العلماء أن يزيد الرومان من اكتشافاته للمحتالين من كتلة الأرض بمقدار عشرة أضعاف.
وقد أدت وفرة هذه الأجسام إلى تكهنات بأن بعض هذه الأجسام ذات كتلة الأرض يمكن أن تكون في الواقع ثقوبًا سوداء بدائية. وقال ديروكو: “لا توجد طريقة للتمييز بين الثقوب السوداء ذات الكتلة الأرضية والكواكب المارقة على أساس كل حالة على حدة”. “الرومان سيكون قويا للغاية في التمييز بين الاثنين إحصائيا.”
قصص ذات الصلة:
– سوف يقوم تلسكوب نانسي جريس الفضائي الروماني بإرجاع الكون. إليك الطريقة
– وإليك كيف سيبحث التلسكوب الفضائي الروماني التابع لناسا عن الثقوب السوداء الوحيدة والكواكب الخارجية البعيدة
– سوف يرسل تلسكوب الفضاء نانسي جريس رومان التابع لناسا عملية البحث عن الكواكب الخارجية بسرعة هائلة
وقال ساهو: “هذا مثال مثير لشيء يمكن أن يفعله المزيد من العلماء بالبيانات التي سيحصل عليها رومان بالفعل أثناء بحثه عن الكواكب”. “والنتائج مثيرة للاهتمام سواء وجد العلماء دليلاً على وجود ثقوب سوداء ذات كتلة الأرض أم لا. وهذا من شأنه أن يعزز فهمنا للكون في كلتا الحالتين.”
نُشر بحث الفريق في شهر يناير في مجلة Physical Review D.