ربما تكون عملية البحث عن الثقوب السوداء الصغيرة المفقودة التي خلفها الانفجار الكبير على وشك أن تشتد.
تمامًا كما يبدو أن مسار مثل هذه الثقوب السوداء الضئيلة قد أصبح باردًا، فقد وجد فريق دولي من العلماء أدلة في فيزياء الكم يمكن أن تعيد فتح القضية. أحد أسباب إلحاح البحث عن ما يسمى بالثقوب السوداء البدائية هو أنه تم اقتراحها كمرشحين محتملين للمادة المظلمة.
تشكل المادة المظلمة 85% من كتلة الكون، لكنها لا تتفاعل مع الضوء كما تفعل المادة اليومية. هذه هي المادة المكونة من الذرات التي تتكون منها النجوم والكواكب والأقمار وأجسادنا. ومع ذلك، تتفاعل المادة المظلمة مع الجاذبية، وهذا التأثير يمكن أن يحدث يؤثر “المادة العادية” والضوء. مثالية لعمل المباحث الكونية.
إذا كانت الثقوب السوداء الناجمة عن الانفجار الكبير موجودة بالفعل، فستكون صغيرة جدًا – وقد يكون بعضها صغيرًا مثل عشرة سنتات – وبالتالي تمتلك كتلًا مساوية لكتلة الكويكبات أو الكواكب. ومع ذلك، مثل نظيراتها الأكبر حجمًا، الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، والتي يمكن أن تكون كتلتها 10 إلى 100 مرة من كتلة الشمس، والثقوب السوداء الهائلة، التي يمكن أن تكون كتلتها ملايين أو حتى مليارات المرات من كتلة الشمس، والثقوب السوداء الصغيرة من الشمس. سيكون فجر الزمن محاطًا بسطح يحبس الضوء يسمى “أفق الحدث”. يمنع أفق الحدث الثقوب السوداء من انبعاث الضوء أو عكسه، مما يجعل الثقوب السوداء البدائية الصغيرة مرشحًا قويًا للمادة المظلمة. قد تكون صغيرة بما يكفي بحيث لا يلاحظها أحد، ولكنها قوية بما يكفي للتأثير على الفضاء.
متعلق ب: قد تكون الثقوب السوداء الصغيرة التي خلفها الانفجار الكبير هي المشتبه بهم الرئيسيين في المادة المظلمة
قام فريق العلماء – من مركز أبحاث الكون المبكر (RESCEU) ومعهد كافلي لفيزياء ورياضيات الكون (Kavli IPMU, WPI) في جامعة طوكيو – بتطبيق إطار نظري يجمع بين نظرية المجال الكلاسيكية، ونظرية أينشتاين الخاصة. النظرية النسبية، وميكانيكا الكم إلى الكون المبكر. وهذا الأخير يفسر سلوك الجسيمات مثل الإلكترونات والكواركات ويؤدي إلى ما يسمى نظرية المجال الكمي (QFT).
أدى تطبيق QFT على الكون الوليد إلى اعتقاد الفريق بوجود عدد أقل بكثير من الثقوب السوداء البدائية الافتراضية في الكون مما تقدره العديد من النماذج حاليًا. إذا كان هذا هو الحال، فقد يستبعد وجود الثقوب السوداء البدائية باعتبارها مادة مظلمة تمامًا.
وقال جيسون كريستيانو، طالب الدراسات العليا بجامعة طوكيو، في بيان: “نطلق عليها اسم الثقوب السوداء البدائية، ويشعر العديد من الباحثين أنها مرشح قوي للمادة المظلمة، ولكن يجب أن يكون هناك الكثير منها لتلبية هذه النظرية”. “إنها مثيرة للاهتمام لأسباب أخرى أيضًا، فمنذ الابتكار الأخير في علم فلك موجات الجاذبية، كانت هناك اكتشافات لاندماج الثقوب السوداء الثنائية، والتي يمكن تفسيرها في حالة وجود الثقوب السوداء البدائية بأعداد كبيرة.
“ولكن على الرغم من هذه الأسباب القوية لوفرة هذه الكائنات المتوقعة، إلا أننا لم نر أي منها بشكل مباشر، والآن لدينا نموذج يجب أن يفسر سبب حدوث ذلك”.
العودة إلى الانفجار الكبير للبحث عن الثقوب السوداء البدائية
تشير النماذج الأكثر تفضيلاً في علم الكونيات إلى أن الكون بدأ منذ حوالي 13.8 مليار سنة خلال فترة أولية من التضخم السريع: الانفجار الكبير.
بعد ظهور الجسيمات الأولى في الكون خلال هذا التوسع الأولي، أصبح الفضاء في النهاية باردًا بدرجة كافية للسماح للإلكترونات والبروتونات بالترابط وتشكيل الذرات الأولى. وذلك عندما ولد عنصر الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، قبل حدوث هذا التبريد، لم يكن الضوء قادرًا على السفر عبر الكون. وذلك لأن الإلكترونات تبعثر الفوتونات إلى ما لا نهاية، وهي جسيمات من الضوء. وهكذا، خلال هذه العصور المظلمة، كان الكون معتمًا بشكل أساسي.
ومع ذلك، بمجرد أن تتمكن الإلكترونات الحرة من الارتباط بالبروتونات والتوقف عن الارتداد في كل مكان، أصبح الضوء قادرًا أخيرًا على السفر بحرية. بعد هذا الحدث، الذي يسمى “التشتت الأخير”، وخلال الفترة التالية المعروفة باسم “عصر إعادة التأين”، أصبح الكون على الفور شفافًا للضوء. ولا يزال من الممكن رؤية الضوء الأول الذي أشرق عبر الكون في هذا الوقت حتى اليوم على شكل مجال إشعاعي موحد في الغالب، وهو “أحفورة” عالمية تسمى “الخلفية الكونية الميكروية” أو “CMB”.
وفي الوقت نفسه، استمرت ذرات الهيدروجين التي تم إنشاؤها لتشكل النجوم الأولى، والمجرات الأولى، وأول مجموعات المجرات. ومن المؤكد أن بعض المجرات يبدو أن لديها كتلة أكبر مما يمكن أن تمثله مكوناتها المرئية، ويُعزى هذا الفائض إلى المادة المظلمة فقط.
في حين أن الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية تتشكل من انهيار وموت النجوم الضخمة، وتنمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة من الاندماجات المتعاقبة للثقوب السوداء الأصغر حجمًا، فإن الثقوب السوداء البدائية تسبق النجوم، لذلك يجب أن يكون لها أصل فريد.
يعتقد بعض العلماء أن الظروف في الكون المبكر الحار والكثيف كانت لدرجة أن بقعًا أصغر من المادة يمكن أن تنهار تحت تأثير جاذبيتها لولادة هذه الثقوب السوداء الصغيرة، مع أفق حدث ليس أوسع من عشرة سنتات، أو ربما أصغر من البروتون، اعتمادًا على ذلك. كتلتهم.
لقد نظر الفريق الذي يقف وراء هذا البحث سابقًا في نماذج الثقوب السوداء البدائية في الكون المبكر، لكن هذه النماذج فشلت في التوافق مع ملاحظات CMB. ولتصحيح ذلك، طبق العلماء تصحيحات على النظرية الرائدة حول تكوين الثقب الأسود البدائي. التصحيحات التي أبلغتها QFT.
وقال مدير Kavli IPMU وRESCEU Jun'ichi Yokoyama في البيان: “في البداية، كان الكون صغيرًا بشكل لا يصدق، أصغر بكثير من حجم ذرة واحدة. وقد توسع التضخم الكوني بسرعة بمقدار 25 مرة من حيث الحجم”. “في ذلك الوقت، كان من الممكن أن يكون للموجات التي تنتقل عبر هذا الفضاء الصغير سعات كبيرة نسبيًا ولكن أطوال موجية قصيرة جدًا.”
ووجد الفريق أن هذه الموجات الصغيرة ولكن القوية يمكن أن تخضع للتضخيم لتصبح موجات أكبر وأطول بكثير، وهو ما يراه علماء الفلك في CMB الحالي. يعتقد الفريق أن هذا التضخيم هو نتيجة التماسك بين الموجات القصيرة المبكرة، وهو ما يمكن تفسيره باستخدام QFT.
وقال يوكوياما: “في حين أن الموجات القصيرة الفردية ستكون عاجزة نسبيا، فإن المجموعات المتماسكة سيكون لديها القدرة على إعادة تشكيل موجات أكبر بكثير منها”. “هذا مثال نادر حيث يبدو أن نظرية شيء ما على نطاق متطرف تشرح شيئًا ما على الطرف الآخر من المقياس.”
إذا كانت نظرية الفريق القائلة بأن التقلبات المبكرة صغيرة النطاق في الكون يمكن أن تنمو وتؤثر على التقلبات واسعة النطاق في الإشعاع CMB صحيحة، فسيؤثر ذلك على كيفية نمو الهياكل في الكون. يمكن أن يساعد قياس تقلبات الإشعاع CMB في تقييد حجم التقلبات الأصلية في الكون المبكر. وهذا بدوره يضع قيودًا على الظواهر التي تعتمد على تقلبات أقصر، مثل الثقوب السوداء البدائية.
وقال كريستيانو: “يعتقد على نطاق واسع أن انهيار الأطوال الموجية القصيرة ولكن القوية في الكون المبكر هو ما أدى إلى خلق الثقوب السوداء البدائية”. “تشير دراستنا إلى أنه يجب أن يكون هناك عدد أقل بكثير من الثقوب السوداء البدائية مما قد يكون مطلوبًا إذا كانت بالفعل مرشحًا قويًا للمادة المظلمة أو أحداث موجة الجاذبية.”
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
الثقوب السوداء البدائية هي افتراضات مؤكدة في الوقت الراهن. وذلك لأن طبيعة الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تحبس الضوء تجعل من الصعب رؤية هذه الأجسام الأكبر حجمًا، لذا تخيل فقط مدى صعوبة اكتشاف ثقب أسود بأفق حدث بحجم عشرة سنتات.
إن المفتاح لاكتشاف الثقوب السوداء البدائية قد لا يكمن في “علم الفلك التقليدي”، بل في قياس التموجات الصغيرة في الزمكان التي تسمى موجات الجاذبية. في حين أن أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية الحالية ليست حساسة بما يكفي لاكتشاف التموجات في الزمكان الناتجة عن تصادم الثقوب السوداء البدائية، فإن المشاريع المستقبلية، مثل هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA)، والتي ستأخذ الكشف عن موجات الجاذبية إلى الفضاء. وهذا يمكن أن يساعد في تأكيد أو رفض نظرية الفريق، مما يجعل العلماء أقرب إلى تأكيد ما إذا كانت الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون مسؤولة عن المادة المظلمة.
نُشر بحث الفريق يوم الأربعاء (29 مايو) في مجلة Physical Review Letters.
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
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