عندما يتعلق الأمر بكون الثقوب السوداء البدائية مشتبهًا بها كالمادة المظلمة، فقد يكون عذرها على وشك الانهيار. قد تبقى الثقوب السوداء الصغيرة، التي تكونت بعد ثوانٍ من ولادة الكون، لفترة أطول من المتوقع، مما يثير الشكوك من جديد بأن الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون مسؤولة عن المادة المظلمة، وهي المادة الأكثر غموضاً في الكون.
تمثل المادة المظلمة حاليًا واحدة من أكثر المشكلات إلحاحًا في الفيزياء. وذلك لأنه على الرغم من أنها تشكل ما يقدر بنحو 85% من المادة في الكون، إلا أن المادة المظلمة تظل غير مرئية لأعيننا لأنها لا تتفاعل مع الضوء.
نظرًا لأن الجسيمات التي تتكون من الذرات التي تشكل الأشياء “العادية” التي يمكننا رؤيتها، مثل النجوم والكواكب وأجسامنا، تتفاعل بشكل واضح مع الضوء، فقد دفع هذا إلى البحث عن جسيمات المادة المظلمة خارج النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يعتقد العديد من العلماء أن الإجابة لا تزال تكمن في النموذج القياسي، ومع ذلك، إذا نظرنا إلى ابن عم صغير للأجسام الكونية، فعادةً ما ننظر إليه على أنه ضخم للغاية، وحتى وحشي: الثقوب السوداء.
متعلق ب: منظر جديد للثقب الأسود الهائل في قلب درب التبانة يلمح إلى ميزة مخفية مثيرة (صورة)
العالمان في معهد ماكس بلانك فالنتين ثوس وآنا فرنانديز ألكسندر من جامعة لشبونة هما باحثان شاركا مؤخرًا في مثل هذه الدراسات. ويفترضون أن الثقوب السوداء الصغيرة التي نشأت منذ أكثر من 13.8 مليار سنة، مباشرة بعد الانفجار الكبير، والتي لا يزيد حجمها عن البروتون، يمكن أن تتجمع لتصبح مشتبهًا بها في المادة المظلمة دون الحاجة إلى فيزياء جديدة.
لم يقتصر الأمر على أن التغيير الأخير في التفكير فيما يتعلق بكيفية “تبخر” الثقوب السوداء أدى إلى إعادة تقييم قابلية بقاء الثقوب السوداء البدائية كما يشتبه في وجود المادة المظلمة، ولكن مع استمرار البحث عن جسيمات المادة المظلمة في رسم فراغ في الغالب، يمكن أن يبدأ المزيد من الباحثين في انظر إلى نظرية المادة المظلمة للثقب الأسود البدائي بشكل أكثر جدية.
ما هي الثقوب السوداء البدائية؟
وقال ثوس لموقع Space.com: “كما يوحي الاسم، فإن الثقوب السوداء البدائية هي نوع من الثقوب السوداء التي تشكلت في بداية الكون”. “في غضون الجزء الأول من الثانية من الكون، في الواقع.”
وأوضح أن جميع الهياكل التي نلاحظها في الكون، بدءًا من العناقيد المجرية الفائقة إلى المجرات الموجودة داخل نفسها، تتشكل من كثافات زائدة طفيفة في الفضاء كانت موجودة خلال بداية الكون. إذا شهد الكون المبكر تقلبات كثافة أقوى بكثير من تلك التي خلقت هذه السمات، وانهارت هذه التقلبات في وقت أبكر من تشكل المجرات بالفعل، فمن الممكن أن تكون تلك البقع شديدة الكثافة قد حفزت الثقوب السوداء البدائية.
وأضاف ثوس أنه اعتمادًا على الوقت الذي قد حدث فيه هذا الانهيار بالإضافة إلى حجم الانهيار، فإن هذه الثقوب السوداء البدائية سيكون لها كتل مختلفة تمامًا. إن الثقوب السوداء البدائية التي اعتبرها ثوس وفيرنانديز ألكسندر مرشحة محتملة للمادة المظلمة ستتراوح كتلتها بين بضعة أطنان وألف طن، على وجه التحديد، وهي أقل من كتلة كوكب وأكثر في فئة كويكب صغير.
بالنظر إلى أن أصغر الثقوب السوداء التي اكتشفها العلماء حتى الآن، والمعروفة باسم الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، لها كتل تعادل ما بين 3 إلى 50 مرة كتلة الشمس – والتي هي في حد ذاتها 2.2 في 10 أس 27 (22 متبوعة بـ 26). (أصفار) طن – هذه الثقوب السوداء البدائية صغيرة بشكل لا يصدق.
مثل نظيراتها من الثقوب السوداء الأكبر التي تشكلت إما من انهيار النجوم الضخمة أو اندماج الثقوب السوداء الأصغر نسبيًا، وفقًا لفرنانديز ألكسندر، فإن الثقوب السوداء البدائية سيكون لها حدود خارجية لاحتجاز الضوء تسمى أفق الحدث. يتم تحديد قطر هذا الأفق من خلال كتلة الثقب الأسود، مما يعني أن أفق الحدث سيكون صغيرًا بشكل لا يصدق في تلك الحالات. قال فرنانديز ألكسندر: “أصغر من نصف قطر البروتون”.
تم استبعاد الثقوب السوداء البدائية الصغيرة في السابق كمرشحين للمادة المظلمة لأنه يُعتقد أن جميع الثقوب السوداء “تسرب” نوعًا من الإشعاع الحراري الذي افترضه ستيفن هوكينج لأول مرة في عام 1974 وسمي فيما بعد “إشعاع هوكينج”.
كلما كان الثقب الأسود أصغر، كلما كان تسرب إشعاع هوكينج أسرع، وبالتالي، يجب أن يتبخر بشكل أسرع. وهذا يعني أنه إذا كانت الثقوب السوداء البدائية موجودة على الإطلاق، فإن أصغر الأمثلة لا ينبغي أن تكون موجودة اليوم، ولكن من الواضح أن المادة المظلمة موجودة.
وقال ثوس: “الثقوب السوداء البدائية ذات الكتل التي ندرسها أنا وآنا الآن كانت تعتبر مستبعدة في السابق لأنه كان من المفترض أنها تبخرت بالكامل بحلول هذا الوقت في الكون”.
ومع ذلك، فقد اقترح العمل الأخير الذي قام به جيورجي دفالي، عالم الفيزياء النظرية في جامعة ميونيخ والذي تعاون مع ثوس وفيرنانديز ألكسندر، أن عملية التبخر تنهار عند نقطة معينة. وهذا يعني أن الثقوب السوداء البدائية ذات الكتل التي اعتبرها العلماء يمكن أن تصل إلى حالة شبه مستقرة.
وأوضح فرنانديز ألكسندر: “من أجل تقليل كتلته من خلال انبعاث إشعاع هوكينج، يجب على الثقب الأسود أن يعيد كتابة معلوماته، أو أي شيء آخر. وتستغرق عملية إعادة الكتابة هذه وقتًا”. “يسمى هذا “عبء الذاكرة” لأن هذه الذاكرة يجب أن تنتقل الآن إلى شيء آخر، وهذا يؤدي إلى إبطاء عملية التبخر بشكل عام. لذا فهو نوع من الاستقرار.”
وتعني “آلية الإنقاذ” هذه أن الثقوب السوداء البدائية عادت كمرشحين محتملين للمادة المظلمة!
جرس ميت للمادة المظلمة؟
ومع ذلك، فإن حقيقة وجود الثقوب السوداء البدائية في الكون اليوم، لا تعني على الفور أنه ينبغي اعتبارها مشتبهًا بها في المادة المظلمة. وفي الواقع، هناك أسباب أخرى لربط هذه الثقوب السوداء الافتراضية الصغيرة بمحتوى المادة الغامضة في الكون.
ربما يكون الارتباط الأكثر وضوحًا هو عدم تفاعل المادة المظلمة مع الضوء. المادة المظلمة لا تبعث الضوء أو تعكسه، ويمثل أفق الحدث الذي يحد جميع الثقوب السوداء النقطة التي تتجاوز فيها سرعة الهروب اللازمة لعبوره سرعة الضوء. وهذا يعني أن الثقوب السوداء البدائية سوف “تحبس” كل الضوء الساقط، مما يؤدي إلى نقص واضح في التفاعلات.
وقال ثوس: “إذا كانت خفيفة بما فيه الكفاية، ففي مكان ما حول كتلة كوكبية، تتصرف الثقوب السوداء البدائية مثل جزيئات المادة المظلمة لجميع الأغراض التي نهتم بها”. “المادة المظلمة هي” أقل تصادمًا “في النماذج القياسية، لذا فإن جزيئات المادة المظلمة لا تتفاعل مع بعضها البعض لدرجة أنها تؤثر على الكون.”
وأضاف أنه إذا كانت الثقوب السوداء البدائية أخف من كتل الكواكب، فإنها، حتى على المقاييس الزمنية الكونية، ستكون صغيرة جدًا بحيث نادرًا ما تتصادم. يمكن لهذه الثقوب السوداء البدائية أن تتجمع لتخلق تأثيرات الجاذبية التي ننسبها حاليًا إلى المادة المظلمة، مثل توفير تأثير الجاذبية الذي يمنع المجرات التي تدور بسرعة من التطاير بعيدًا.
ومع ذلك، إذا كان على الثقوب السوداء البدائية أن تتجمع لتأخذ في الاعتبار تأثيرات المادة المظلمة، فما الذي يمنع هذه الثقوب السوداء من التجمع معًا والاندماج لتكوين ثقوب سوداء أكبر؟ ألن تصبح مجموعة من الثقوب السوداء الصغيرة في النهاية مجرد ثقب أسود هائل؟ وقال ثوس إن هذا الأمر قد تم التحقيق فيه، والجواب ببساطة هو: “لا”.
وتابع: «حتى لو أخذت في الاعتبار التكتل، فإن المقاييس الزمنية للاندماج طويلة جدًا لدرجة أنها لن تندمج إلا في ثقوب سوداء ضخمة جدًا على مدار عمر الكون بأكمله».
وأضاف ثوس أن جمال استخدام الثقوب السوداء البدائية كتفسير للمادة المظلمة هو أنه، على عكس اقتراح جسيم افتراضي مثل المحور لشرح اللغز، فإن الثقوب السوداء البدائية لا تتطلب امتدادًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. أفضل تفسير لدينا للكون على المقاييس دون الذرية.
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
ومع ذلك، سيكون من الصعب للغاية تأكيد الثقوب السوداء البدائية باعتبارها مادة مظلمة، إذا كانت تفسر هذه الظاهرة بالفعل. ومرة أخرى، فإن طبيعتها التي تحبس الضوء تعني أنها غير مرئية بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك، في مثل هذه الأحجام الصغيرة، ليس لديهم نفس تأثيرات الجاذبية الهائلة مثل إخوانهم من النجوم والفائقة الكتلة.
وحتى مع ذلك، إذا تم اكتشاف مجموعة من الثقوب السوداء البدائية، فلا توجد طريقة حقيقية لمعرفة الفرق بين الكثير من الثقوب السوداء الصغيرة وثقب أسود كبير واحد.
على الرغم من هذه الصعوبة، ينوي ثوس وفيرنانديز ألكسندر البقاء على ذيل الثقوب السوداء البدائية – من الناحية النظرية على الأقل. إذا استمر فشل الجسيمات المرشحة للمادة المظلمة في الظهور، فربما يكون الجواب هو دفع المزيد من الفيزيائيين للبدء في النظر في السياج المجازي بين فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات.
وقال فرنانديز ألكسندر: “لا أستطيع أن أقول إن الثقوب السوداء البدائية قد تم استبعادها على الإطلاق باعتبارها مرشحة للمادة المظلمة، ولكن تم تجاهلها لفترة من الوقت”. “الآن، مع حقيقة أننا لا نملك حقًا أي اكتشاف للمادة المظلمة الجسيمية، أعتقد أنه أصبح من المناسب أكثر فأكثر النظر في هذا الخيار.”