هل يمكن لهذه اللقمات من الثقب الأسود أن تثبت أخيرًا نظرية ستيفن هوكينج الشهيرة؟

واحدة من أعمق الرسائل التي تركها ستيفن هوكينج للبشرية هي أن لا شيء يدوم إلى الأبد، وفي النهاية، يمكن للعلماء أن يكونوا مستعدين لإثبات ذلك.

وقد تم نقل هذه الفكرة من خلال ما يمكن القول إنه أهم عمل لهوكينج: الفرضية القائلة بأن الثقوب السوداء “تسرب” الإشعاع الحراري، وتتبخر في هذه العملية، وتنتهي وجودها بانفجار نهائي. سيُعرف هذا الإشعاع في النهاية باسم “إشعاع هوكينج” نسبةً للعالم العظيم. ومع ذلك، حتى يومنا هذا، لا يزال هذا المفهوم غير مكتشف وافتراضيًا بحتًا. لكن الآن، يعتقد بعض العلماء أنهم ربما وجدوا طريقة لتغيير ذلك أخيرًا؛ ربما سنكون قريبًا في طريقنا نحو ترسيخ إشعاع هوكينج كحقيقة.

يقترح الفريق أنه عندما تصطدم وتندمج ثقوب سوداء أكبر حجمًا بشكل كارثي، فقد يتم إطلاق ثقوب سوداء صغيرة وساخنة إلى الفضاء، وقد يكون هذا هو المفتاح.

الأهم من ذلك، هوكينج قال أنه كلما كان الثقب الأسود أصغر، كلما كان تسرب إشعاع هوكينج أسرع. لذا، فإن الثقوب السوداء الهائلة التي تبلغ كتلتها ملايين أو مليارات من كتلة الشمس ستستغرق نظريًا وقتًا أطول من العمر المتوقع للكون حتى “تتسرب” بالكامل. وبعبارة أخرى، كيف يمكننا اكتشاف مثل هذا التسرب طويل المدى؟ حسنًا، ربما لا نستطيع ذلك، ولكن عندما يتعلق الأمر بهذه الثقوب السوداء ذات كتلة الكويكبات، والتي يطلق عليها باللغة الإيطالية اسم “Bocconcini di Buchi Neri”، فقد نكون محظوظين.

يمكن للثقوب السوداء الصغيرة مثل هذه أن تتبخر وتنفجر على نطاق زمني يمكن ملاحظته بالفعل للبشر. بالإضافة إلى ذلك، يقول الفريق، إن نهاية عمر هذه الثقوب السوداء يجب أن تتميز بإشارة مميزة، تشير إلى انكماشها وموتها عن طريق تسرب إشعاع هوكينج.

متعلق ب: إذا كان الانفجار الكبير قد خلق ثقوبًا سوداء مصغرة، فأين توجد؟

“توقع هوكينج أن الثقوب السوداء تتبخر عن طريق انبعاث الجسيمات” فرانشيسكو سانينو, وقال عالم وراء هذا الاقتراح وعالم فيزياء نظرية في جامعة جنوب الدنمارك لموقع Space.com. “لقد شرعنا في دراسة هذا الأمر والتأثير الرصدي لإنتاج العديد من فتات الثقوب السوداء، أو “Bocconcini di Buchi Neri”، التي تخيلنا أنها تتشكل أثناء حدث كارثي مثل اندماج ثقبين أسودين في الفيزياء الفلكية.”

لا تستطيع الثقوب السوداء اللقمة الحفاظ على هدوئها

يعود أصل إشعاع هوكينج إلى رسالة كتبها ستيفن هوكينج عام 1974 بعنوان “انفجارات الثقب الأسود؟” التي نشرت في الطبيعة. جاءت الرسالة عندما نظر هوكينج في آثار فيزياء الكم على شكلية الثقوب السوداء، وهي الظواهر التي تنشأ من نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين. كان هذا مثيرًا للاهتمام لأن نظرية الكم والنسبية العامة هما نظريتان تقاومان التوحيد بشكل كبير، حتى اليوم.

ظل إشعاع هوكينج مثيرًا للقلق ولم يتم اكتشافه لمدة 50 عامًا حتى الآن لسببين محتملين: أولًا، قد لا تصدر معظم الثقوب السوداء هذا الإشعاع الحراري على الإطلاق، وثانيًا، إذا حدث ذلك، فقد لا يكون من الممكن اكتشافه. بالإضافة إلى ذلك، بشكل عام، الثقوب السوداء هي أجسام غريبة جدًا في البداية، وبالتالي معقدة في دراستها.

وقال سانينو: “الأمر المثير للدهشة هو أن درجات حرارة الثقوب السوداء تتناسب عكسيا مع كتلتها. وهذا يعني أنه كلما زادت كتلتها، كلما كانت أكثر برودة، وكلما كانت كتلتها أقل، زادت سخونة”.

حتى في المناطق الأكثر فراغًا في الفضاء، ستجد درجات حرارة تبلغ حوالي 454 درجة فهرنهايت (ناقص 270 درجة مئوية). وذلك بسبب وجود مجال موحد من الإشعاع خلفه بعد الانفجار الكبير مباشرة، يسمى “الخلفية الكونية الميكروية” أو “CMB”. غالبًا ما يُطلق على هذا الحقل اسم “الأحفورة الكونية” أيضًا، نظرًا لقِدمه تمامًا. علاوة على ذلك، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، يجب ألا تتمكن الحرارة من التدفق من الجسم البارد إلى الجسم الأكثر سخونة.

وقال سانينو: “الثقوب السوداء الأثقل من كتل شمسية قليلة تكون مستقرة لأنها أبرد من الإشعاع CMB”. “لذلك، من المتوقع أن تصدر الثقوب السوداء الأصغر حجمًا فقط إشعاع هوكينج الذي يمكن ملاحظته.”

صرح مؤلف البحث جياكومو كاتشياباليا من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي لموقع Space.com أنه نظرًا لأن الغالبية العظمى من الثقوب السوداء في الكون اليوم هي من أصل فيزيائي فلكي، مع كتل تتجاوز عدة أضعاف كتلة الشمس، فإنها لا تستطيع إصدار إشعاع هوكينج يمكن ملاحظته. .

وأضاف كاتشياباليا: “فقط الثقوب السوداء الأخف من القمر هي التي يمكنها إصدار إشعاع هوكينج. ونقترح أن هذا النوع من الثقوب السوداء قد يتم إنتاجه وإخراجه أثناء اندماج الثقب الأسود ويبدأ الإشعاع مباشرة بعد إنتاجه”. “سوف تنتج فتات الثقب الأسود بأعداد كبيرة بالقرب من اندماج الثقب الأسود.”

ومع ذلك، فإن هذه الثقوب السوداء صغيرة جدًا بحيث لا يمكنها إنشاء تأثيرات تسمح بتصويرها مباشرةً، مثلما يفعل تلسكوب Event Horizon للثقوب السوداء فائقة الكتلة من خلال التركيز على المواد المتوهجة المحيطة بها.

يقترح الفريق أن هناك توقيعًا فريدًا يمكن استخدامه للإشارة إلى وجود هذه الثقوب السوداء. سيأتي ذلك على شكل انفجار قوي من الإشعاع عالي الطاقة يسمى انفجار أشعة غاما، والذي يحدث في نفس المنطقة من السماء حيث تم اكتشاف اندماج ثقب أسود.

وقال الباحثون إن الثقوب السوداء في Bocconcini di Buchi Neri سوف تشع إشعاع هوكينج بشكل أسرع وأسرع عندما تفقد كتلتها، مما يسرع من زوالها الانفجاري. وتستغرق تلك التي تمتلك كتلًا تبلغ حوالي 20 ألف طن ما يقدر بنحو 16 عامًا لتتبخر، في حين أن أمثلة الثقوب السوداء التي تبلغ كتلتها 100 ألف كيلو طن على الأقل من المحتمل أن تستمر لمدة تصل إلى مئات السنين.

سيؤدي تبخر اللقمات وتدميرها إلى إنتاج فوتونات تتجاوز نطاق طاقة تريليون إلكترون فولت (TeV). للحصول على فكرة عن مدى نشاط ذلك، قال سانينو إن مصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع لـ CERN في أوروبا، وهو أكبر مسرع للجسيمات على هذا الكوكب، يصطدم بالبروتونات وجهاً لوجه بطاقة إجمالية تبلغ 13.6 تيرا إلكترون فولت.

قصص ذات الصلة:

– يمكن تكديس نجوم “غرافاستارز” الشبيهة بالثقب الأسود مثل دمى الشاي الروسية

– الصورة الثانية لأول ثقب أسود على الإطلاق تؤكد النسبية العامة لأينشتاين (صورة)

– من المحتمل أن يكون الثقب الأسود الهائل في مجرتنا المجاورة ضيفًا مهذبًا على العشاء

ومع ذلك، لدى الباحثين فكرة عن كيفية اكتشاف هذه الثقوب السوداء أثناء تبخرها. أولاً، يمكن اكتشاف اندماج الثقوب السوداء من خلال انبعاث موجات الجاذبية، وهي تموجات صغيرة في الزمكان تنبأ بها أينشتاين، وتنبعث عند تصادم الأجسام.

يمكن لعلماء الفلك بعد ذلك متابعة عمليات الاندماج تلك باستخدام تلسكوبات أشعة جاما، مثل مرصد شيرينكوف لأشعة جاما على ارتفاعات عالية، والذي يمكنه اكتشاف الفوتونات ذات الطاقات ما بين 100 جيجا إلكترون فولت (GeV) و100 تيرا إلكترون فولت.

يعترف الفريق أن هناك طريقًا طويلًا يجب قطعه قبل أن يتم تأكيد وجود الثقوب السوداء، وبالتالي هناك طريق طويل يجب قطعه قبل أن نتمكن من التحقق من صحة إشعاع هوكينج مرة واحدة وإلى الأبد.

“نظرًا لأن هذه فكرة جديدة، فهناك الكثير من العمل الذي يتعين علينا القيام به. نحن نخطط لوضع نموذج أفضل لانبعاث إشعاع هوكينج عند طاقات عالية تتجاوز مقياس TeV، حيث تصبح معرفتنا بفيزياء الجسيمات أقل تأكيدًا، وسيتضمن ذلك تعاونًا تجريبيًا في البحث عن هذه التوقيعات الفريدة ضمن مجموعة البيانات الخاصة بهم”، اختتم كاتشياباليا كلامه. “على جدول زمني أطول، نخطط للتحقيق بالتفصيل في إنتاج الفتات خلال الأحداث الفيزيائية الفلكية الكارثية مثل اندماج الثقوب السوداء.”

بحث الفريق متاح كورقة مطبوعة مسبقًا على مستودع arXiv.