عندما تصبح الثقوب السوداء البدائية محل شك حول المادة المظلمة، فقد تنهار ذريعة وجودها. قد تبقى الثقوب السوداء الصغيرة التي تكونت بعد ثوان من ولادة الكون لفترة أطول من المتوقع، مما يعيد إحياء الشكوك بأن الثقوب السوداء البدائية قد تكون مسؤولة عن المادة الأكثر غموضا في الكون، وهي المادة المظلمة.
تعد المادة المظلمة حاليًا واحدة من أكثر المشكلات إلحاحًا في الفيزياء. وذلك لأنه على الرغم من أنها تشكل 85% من المادة الموجودة في الكون، إلا أن المادة المظلمة غير مرئية لأعيننا لأنها لا تتفاعل مع الضوء.
ولأن الجسيمات التي تتكون منها الذرات التي تشكل الأجسام “العادية” مثل النجوم والكواكب وأجسادنا 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 ربما لا تزال تكمن في النموذج القياسي، ومع ذلك، عند النظر في جسم صغير قريب من الأجسام الكونية التي نعتبرها عادةً كبيرة جدًا ووحشية: الثقوب السوداء.
متعلق ب: نظرة جديدة على الثقب الأسود الهائل الموجود في مركز درب التبانة تكشف عن ميزة مخفية رائعة (في الصورة).
كان ماكس بلانك عالمًا مؤسسًا فالنتاين داس و آنا فرنانديز الكسندر وقد شارك مؤخراً باحثان من جامعة لشبونة في مثل هذه الدراسات. ويشيرون إلى أن الثقوب السوداء الصغيرة التي نشأت قبل 13.8 مليار سنة، بعد الانفجار الكبير، والتي لا يزيد حجمها عن البروتون، قد تصبح مشبوهة بالنسبة للمادة المظلمة دون الحاجة إلى فيزياء جديدة.
لم يقتصر الأمر على أن التحول الأخير في التفكير حول كيفية “تبخر” الثقوب السوداء أدى إلى إعادة تقييم مصداقية الثقوب السوداء البدائية كمشتبه بها في المادة المظلمة، ولكن البحث عن جسيمات المادة المظلمة غالبًا ما يبدأ في رسم فراغ. نظرة أكثر جدية على نظرية المادة المظلمة للثقب الأسود البدائي.
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 الواقع، خلال الجزء الأول من الثانية في الكون.”
وأوضح أن جميع الهياكل التي نلاحظها في الكون، بدءًا من العناقيد المجرية الفائقة إلى المجرات نفسها، تشكلت من كثافات زائدة صغيرة في الفضاء خلال بداية الكون. إذا شهد الكون المبكر تقلبات كثافة أقوى من تلك التي شكلت هذه السمات، وإذا انهارت هذه التقلبات بالفعل قبل تشكل المجرات، فمن الممكن أن تكون تلك البقع المفرطة الكثافة قد غذت الثقوب السوداء البدائية.
وقال ثوس إنه اعتمادًا على وقت حدوث الانهيار ومدى الانهيار، يمكن أن يكون لهذه الثقوب السوداء البدائية كتل مختلفة تمامًا. الثقوب السوداء البدائية التي اعتبرها ثوس وفرنانديز ألكسندر مرشحة للمادة المظلمة، تتراوح كتلتها من بضعة أطنان إلى آلاف الأطنان.
أصغر الثقوب السوداء التي اكتشفها العلماء حتى الآن، والمعروفة باسم الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية، لها كتل تتراوح بين 3 إلى 50 مرة كتلة الشمس، أي 2.2 في 10 أس 27 (22 تليها 26). (أصفار) طن – هذه الثقوب السوداء البدائية صغيرة بشكل لا يصدق.
وفقًا لفيرنانديز ألكسندر، مثل الثقوب السوداء الهائلة التي تتشكل من انهيار النجوم الضخمة أو اندماج الثقوب السوداء الصغيرة نسبيًا، فإن الثقوب السوداء البدائية لها حدود خارجية تحبس الضوء تسمى أفق الحدث. يتم تحديد قطر هذا الأفق من خلال كتلة الثقب الأسود، مما يعني أنه في تلك الحالات يكون أفق الحدث صغيرًا بشكل لا يصدق. وقال فرنانديز ألكسندر: “أصغر من نصف قطر البروتون”.
تم في السابق استبعاد الثقوب السوداء البدائية الصغيرة باعتبارها مادة مظلمة 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 زادت سرعة تسرب إشعاع هوكينج، وبالتالي، كلما تبخر بشكل أسرع. وهذا يعني أنه إذا كانت الثقوب السوداء البدائية موجودة على الإطلاق، فقد لا توجد أمثلة صغيرة اليوم – ومع ذلك، فإن المادة المظلمة موجودة بوضوح.
قال ثوس: “الثقوب السوداء البدائية ذات الكتل التي ندرسها أنا وآنا الآن، تم استبعادها سابقًا لأنه كان يُعتقد أنها تبخرت تمامًا في هذه المرحلة من الكون”.
اقترح العمل الأخير الذي قام به عالم الفيزياء النظرية جورجي دافالي من جامعة ميونيخ، والذي تعاون مع داس وفيرنانديز ألكسندر، أن عملية التبخر تنهار عند نقطة معينة. وهذا يعني أن الثقوب السوداء البدائية ذات الكتل التي يفترضها العلماء يمكن أن تصل إلى حالة شبه ثابتة.
وأوضح فرنانديز ألكسندر: “لتقليل كتلته من خلال انبعاث إشعاع هوكينج، يجب على الثقب الأسود أن يعيد كتابة معلوماته أو أي شيء آخر. وتستغرق عملية التعديل هذه وقتًا”. “يسمى هذا “الحمل الزائد للذاكرة” لأنه يجب الآن إرسال هذه الذاكرة إلى شيء آخر، وهذا يبطئ عملية التبخر الشاملة. لذا فهو شكل من أشكال التثبيت.”
وتعني “آلية الاسترداد” تلك أن الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون مادة مظلمة مرة أخرى!
جرس ميت للمادة المظلمة؟
حقيقة أن الثقوب السوداء البدائية قد تكون موجودة في الكون اليوم لا تعني على الفور أنه ينبغي اعتبارها مشتبهًا بها في المادة المظلمة. وفي الواقع، هناك أسباب أخرى لربط هذه الثقوب السوداء الخيالية الصغيرة بالمادة الغامضة في الكون.
العلاقة الأكثر وضوحًا هي عدم تفاعل المادة المظلمة مع الضوء. المادة المظلمة لا تبعث الضوء ولا تعكسه، ويمثل أفق الحدث الذي يحد جميع الثقوب السوداء النقطة التي تتجاوز فيها سرعة الهروب المطلوبة لعبوره سرعة الضوء. وهذا يعني أن الثقوب السوداء البدائية “تحبس” كل الضوء الساقط، مما يؤدي إلى نقص واضح في الارتباط.
وقال ثوس: “إذا كانت مشرقة بما فيه الكفاية، في مكان ما بالقرب من كتلة الكوكب، فإن الثقوب السوداء البدائية تتصرف مثل جسيمات المادة المظلمة لجميع الأغراض التي نهتم بها”. “المادة المظلمة هي” أقل تصادمًا “في النماذج القياسية، لذلك لا تتفاعل جزيئات المادة المظلمة مع بعضها البعض بما يكفي للتأثير على الكون.”
إذا كانت الثقوب السوداء البدائية أخف من كتل الكواكب، حتى على المقاييس الزمنية الكونية، فهي صغيرة جدًا لدرجة أنها نادرًا ما تتصادم. تتجمع هذه الثقوب السوداء البدائية بدلاً من إنتاج تأثيرات الجاذبية التي ننسبها حاليًا إلى المادة المظلمة، مثل توفير قوة الجذب التي تمنع المجرات سريعة الدوران من التطاير بعيدًا.
ومع ذلك، إذا كان يجب 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 ثقبًا أسودًا فائق الكتلة؟ وقال إنه تم التحقيق في الأمر، وكان الجواب ببساطة: “لا”.
وتابع: «حتى لو أخذت التجمعات في الاعتبار، فإن المقاييس الزمنية للاندماجات طويلة جدًا لدرجة أنها تتجمع فقط لتشكل ثقوبًا سوداء فائقة الكتلة على مدار عمر الكون بأكمله».
إن جمال استخدام الثقوب السوداء البدائية كتفسير للمادة المظلمة هو أنه، على عكس اقتراح جسيم افتراضي مثل المحور لتفسير اللغز، فإن الثقوب السوداء البدائية لا تتطلب امتدادًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، أو وصفًا أفضل للكون. على المقاييس دون الذرية.
ومع ذلك، إذا كانت الثقوب السوداء البدائية تفسر هذه الظاهرة بالفعل، فسيكون من الصعب للغاية تأكيد أنها مادة مظلمة. ومرة أخرى، فإن طبيعتها التي تحبس الضوء تعني أنها غير مرئية بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك، في مثل هذه الأحجام الصغيرة، لا تتمتع بتأثيرات الجاذبية الهائلة التي تتمتع بها نظيراتها النجمية الضخمة.
وحتى مع ذلك، إذا تم اكتشاف مجموعة من الثقوب السوداء البدائية، فلا توجد طريقة حقيقية لمعرفة الفرق بين مجموعة من الثقوب السوداء الصغيرة وثقب أسود عملاق واحد.
على الرغم من هذه الصعوبة، يرغب ثوس وفرنانديز ألكسندر في الحفاظ على اهتمامهما بذيول الثقوب السوداء البدائية، على الأقل من الناحية النظرية. إذا استمر الفشل في ظهور الجسيمات المرشحة للمادة المظلمة، فإن الحل هو دفع المزيد من الفيزيائيين إلى النظر في السياج المجازي بين فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات.
قال فرنانديز ألكسندر: “لا أستطيع أن أقول إن الثقوب السوداء البدائية قد تم استبعادها كمرشحين للمادة المظلمة، ولكن تم تجاهلها لفترة من الوقت”. “في الوقت الحالي، وبما يتماشى مع حقيقة أنه ليس لدينا أي اكتشافات للمادة المظلمة للجسيمات، أعتقد أنه سيكون من المناسب النظر في هذا الخيار.”