ربما كانت الثقوب السوداء البدائية الصغيرة التي نشأت خلال الجزء الأول من الثانية بعد الانفجار الكبير قد رافقتها، على شكل ثقوب سوداء أصغر حجمًا “مشحونة للغاية” بكتلة وحيد القرن والتي تبخرت بسرعة.
وقد افترض فريق من الباحثين أن هذه الثقوب السوداء الصغيرة التي تشبه “وحيد القرن”، والتي من شأنها أن تمثل حالة جديدة تمامًا من المادة، كانت مملوءة حتى أسنانها بـ “شحنة اللون”. هذه خاصية للجسيمات الأساسية التي تسمى الكواركات والجلونات والتي ترتبط بتفاعلات القوة القوية مع بعضها البعض، ولا تتعلق بـ “اللون” بالمعنى اليومي.
من المحتمل أن تكون هذه الثقوب السوداء فائقة الشحن قد تم إنشاؤها باستخدام ثقوب سوداء بدائية عندما انهارت مناطق مجهرية من المادة فائقة الكثافة في أول خمس مليون من الثانية بعد الانفجار الكبير.
على الرغم من أن هذه الثقوب السوداء التي تم تنظيرها حديثًا قد تتبخر بعد جزء من الثانية فقط من ظهورها، إلا أنها ربما أثرت على التحول الكوني الرئيسي: تشكيل النوى الذرية الأولى. وهذا يعني أنهم ربما تركوا توقيعًا يمكن اكتشافه اليوم.
متعلق ب: إذا كان الانفجار الكبير قد خلق ثقوبًا سوداء مصغرة، فأين توجد؟
ويعتقد فريق البحث أن الثقوب السوداء المشحونة بالألوان الفائقة ربما أثرت على توازن اندماج النوى في الكون الوليد. على الرغم من أن الأجسام الغريبة لم تعد موجودة في اللحظات الأولى لنشوء الكون، إلا أنه من المحتمل أن يتمكن علماء الفلك في المستقبل من اكتشاف هذا التأثير.
“على الرغم من أن هذه المخلوقات الغريبة قصيرة العمر ليست موجودة اليوم، إلا أنه كان من الممكن أن يكون لها تأثير على التاريخ الكوني بطرق يمكن أن تظهر في إشارات خفية اليوم”، كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة ديفيد كايزر، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. وقال (MIT) في بيان.
وأضاف: “ضمن فكرة أن كل المادة المظلمة يمكن أن تكون ناجمة عن الثقوب السوداء، فإن هذا يعطينا أشياء جديدة يجب البحث عنها”، في إشارة إلى المادة الغامضة التي تشكل حوالي 85% من الكون المادي.
لا يتم إنشاء جميع الثقوب السوداء بشكل متساوٍ
عند تصور ثقب أسود، فإن الصورة المباشرة التي قد تتبادر إلى ذهنك هي ثقوب سوداء هائلة الحجم تشبه العملاق الكوني، وتبلغ كتلتها ملايين أو حتى مليارات المرات كتلة الشمس. تقع هذه الثقوب السوداء في قلب المجرات، وتهيمن على محيطها، ويتم إنشاؤها من خلال سلسلة من عمليات اندماج أزواج الثقوب السوداء التي تكبر تدريجياً.
والأكثر شيوعًا في الكون هي الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تزيد كتلتها عن كتلة الشمس بعشرات أو مئات المرات، والتي تولد عندما ينفد وقود النجوم الضخمة من أجل الاندماج النووي وتنهار.
يتم تصنيف هذين النوعين من الثقوب السوداء، بالإضافة إلى الثقوب السوداء المتوسطة المراوغة بين هذين النطاقين الكتليين، على أنها “ثقوب سوداء فيزيائية فلكية”. لقد افترض العلماء منذ فترة طويلة أنه ربما كانت هناك ثقوب سوداء غير فيزيائية فلكية وُلدت بعد الانفجار الكبير مباشرة، بكتلة تتراوح بين كتل الأرض وكتل كويكب كبير.
وبدلاً من أن تتشكل هذه الثقوب السوداء البدائية من انهيار نجم، فمن الممكن أن تكون قد تشكلت من بقع أصغر بكثير من المادة المنهارة قبل ظهور النجوم الأولى أو حتى أبسط الذرات.
كلما كانت كتلة الثقب الأسود أكبر، كانت حدوده الخارجية أو “أفق الحدث” أوسع. إذا كانت كتلة الثقب الأسود البدائي تقارب كتلة الأرض، فلن يكون عرضه أكبر من عشرة سنتات. ولو كانت كتلته تعادل كتلة كويكب كبير، لكان أصغر من الذرة.
السبب وراء استخدامنا لصيغة الماضي عند وصف هذه الثقوب السوداء هو أن النظريات الحالية تشير إلى أن هذه الثقوب السوداء البدائية كانت صغيرة جدًا لدرجة أنها فقدت كتلتها بسرعة من خلال “تسرب” نوع من الإشعاع الحراري يسمى إشعاع هوكينج. وكان من الممكن أن يؤدي ذلك إلى تبخرها، مما يعني أنها لن تكون موجودة في الكون اليوم.
اقترح بعض العلماء “آليات إنقاذ” يمكن أن تسمح للثقوب السوداء البدائية بالاستمرار في العصر الحديث للكون. إذا كانت هذه الآليات صحيحة، فمن الممكن أن تكون الثقوب السوداء البدائية مسؤولة عن المادة المظلمة.
المادة المظلمة غامضة جدًا لأنه على الرغم من أنها تمثل حوالي 85% من المادة في الكون، إلا أنها لا تتفاعل مع الضوء وبالتالي لا يمكن أن تكون مثل الـ 15% الأخرى من “الأشياء” في الكون والتي تشمل النجوم. الكواكب والأقمار وأجسادنا والقطة المجاورة.
يمكن أن تكون الثقوب السوداء البدائية مناسبة للمادة المظلمة، لأنها، مثل جميع الثقوب السوداء، ستكون محاطة بآفاق الحدث. هذه هي الأسطح التي تحبس الضوء، مما يعني أيضًا أن الثقوب السوداء، مثل المادة المظلمة، لا تبعث الضوء أو تعكسه.
لاستكشاف العلاقة بين المادة المظلمة والثقب الأسود البدائي بشكل أفضل، شرع كايزر وطالبة الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلبا ألونسو مونسالفي في اكتشاف المادة التي تتكون منها (أو كانت) هذه الثقوب السوداء الصغيرة والمبكرة.
وأوضح كايزر: “لقد درس الناس كيف سيكون توزيع كتل الثقب الأسود خلال هذا الإنتاج المبكر للكون، لكنهم لم يربطوه أبدًا بأنواع الأشياء التي كانت ستسقط في تلك الثقوب السوداء في الوقت الذي كانت تتشكل فيه”.
كان رفاق الثقب الأسود البدائيون من وحيد القرن المشحون
كانت الخطوة الأولى للباحثين هي النظر إلى نظريات الثقب الأسود البدائي الموجودة مسبقًا وكيف تم توزيع كتلتها أثناء تكوين الكون.
وأوضح ألونسو مونسالفي: “لقد أدركنا أن هناك علاقة مباشرة بين وقت تشكل الثقب الأسود البدائي والكتلة التي يتشكل بها”. “وهذه النافذة الزمنية مبكرة بشكل سخيف.”
في هذه الحالة، تعني عبارة “مبكرًا بشكل سخيف” خلال جزء من خمسة ملايين من الثانية بعد الانفجار الكبير. كانت هذه الفترة القصيرة ستشهد ولادة ثقوب سوداء بدائية “قياسية” ذات كتل تعادل كتلة الكويكبات الكبيرة وعرضها أصغر من الذرة.
ومع ذلك، يتوقع ألونسو مونسالفي وكايزر أن هذه الفترة القصيرة ستشهد أيضًا ولادة جزء صغير من الثقوب السوداء الأصغر حجمًا بشكل كبير، مع كتل تقارب كتلة وحيد القرن وأحجام أصغر بكثير من بروتون واحد، وهي الجسيمات التي (جنبًا إلى جنب مع النيوترونات) ) يؤلف النوى في قلب الذرات.
كلا هذين الحجمين من الثقوب السوداء في الكون المبكر كانا محاطين ببحر كثيف من الكواركات والجلونات. لم يتم العثور على هذه الجسيمات الأولية بحرية في الكون خلال عصره الحالي، حيث كانت مرتبطة بجسيمات مثل البروتونات والنيوترونات. ومع ذلك، في الكون المبكر الكثيف، كان هناك “حساء ساخن” أو بلازما من الكواركات والجلونات الحرة التي لم تندمج بعد.
لن تتغذى أي ثقوب سوداء تشكلت في بداية الكون على حساء البلازما هذا فحسب، بل ستمتص أيضًا خاصية الكواركات والجلونات الحرة غير المرتبطة التي تسمى الشحنة الملونة.
“بمجرد أن اكتشفنا أن هذه الثقوب السوداء تتشكل في بلازما كوارك-غلوون، كان الشيء الأكثر أهمية الذي كان علينا اكتشافه هو، ما مقدار الشحنة اللونية الموجودة في فقاعة المادة التي ستنتهي في ثقب أسود بدائي؟” قال ألونسو مونسالف.
بالانتقال إلى نظرية تسمى “الكروموديناميك الكمومي”، والتي تصف عمل القوة القوية بين الكواركات والجلونات، قام الثنائي بحساب توزيع شحنة اللون التي كان ينبغي أن تكون موجودة في جميع أنحاء البلازما الساخنة والكثيفة في الكون المبكر. ثم قارنوا هذا التوزيع بحجم المنطقة التي قد تكون قادرة على الانهيار وولادة ثقب أسود في أول خمس تريليون من الثانية فقط من الكون.
وكشف هذا أن الثقب الأسود البدائي “النموذجي” لم يكن ليمتص قدرًا كبيرًا من شحنة الألوان. وذلك لأن المنطقة الأكبر من بلازما الكوارك-غلوون التي استهلكوها كانت تحتوي على مزيج من الشحنات اللونية، مما يضيف إلى الشحنة المحايدة.
ومع ذلك، وجد الثنائي أن الثقوب السوداء ذات كتلة وحيد القرن والتي تتشكل من رقعة أصغر من بلازما كوارك-غلوون، كانت مليئة بشحنة ملونة. في الواقع، كانت ستحتوي على الحد الأقصى من أي نوع من الشحنات المسموح بها للثقب الأسود، وفقًا للقوانين الأساسية للفيزياء.
هذه ليست المرة الأولى التي يتم فيها افتراض مثل هذه الثقوب السوداء “المتطرفة”، لكن ألونسو مونسالفي وكايزر هما أول العلماء الذين وضعوا عملية واقعية يمكن من خلالها أن تتشكل مثل هذه الشذوذات الكونية في عالمنا.
قصص ذات الصلة
– تم اكتشاف مادة مظلمة تتدلى من الشبكة الكونية للمرة الأولى
– كيف سيبحث خليفة مصادم الهادرونات الكبير عن الكون المظلم
– المجرة الضخمة التي لا تحتوي على مادة مظلمة هي لغز كوني
على الرغم من أن الثقوب السوداء ذات الشحن الفائق لوحيد القرن قد تبخرت بسرعة، إلا أنها كانت لا تزال موجودة بعد حوالي ثانية واحدة من الانفجار الكبير عندما بدأت النوى الذرية الأولى بالتشكل. وهذا يعني أن الثقوب السوداء وحيد القرن كان لديها متسع من الوقت لإخراج الظروف في الكون من التوازن. ومن الممكن أن تكون هذه الاضطرابات قد أثرت على المادة بطريقة لا يزال من الممكن ملاحظتها حتى اليوم.
وخلص ألونسو مونسالف إلى القول: “ربما تركت هذه الأجسام بعض بصمات المراقبة المثيرة”. “كان بإمكانهم تغيير التوازن بين هذا وذاك، وهذا هو الشيء الذي يمكن للمرء أن يبدأ في التساؤل عنه.”
نُشر بحث الفريق يوم الخميس (6 يونيو) في مجلة Physical Review Letters.