قم بالتسجيل في النشرة الإخبارية للعلوم Wonder Theory على قناة CNN. استكشف الكون بأخبار حول الاكتشافات الرائعة والإنجازات العلمية والمزيد.
سي إن إن
—
منذ ما يقرب من 50 عامًا، واجه المجتمع العلمي مشكلة كبيرة: ببساطة لا يوجد ما يكفي من المادة المرئية في الكون.
كل الأشياء التي يمكننا رؤيتها – النجوم، والكواكب، والغبار الكوني، وكل شيء بينهما – لا يمكنها تفسير سبب عمل الكون، ويجب أن يكون الباحثون أكثر عرضة بخمس مرات لإجراء الملاحظات. وفقا لوكالة ناسا. يسميها العلماء المادة المظلمة لأنها لا تتفاعل مع الضوء وغير مرئية.
في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف عالما الفلك الأمريكيان فيرا روبين و دبليو. أكد كينت فورد وجود المادة المظلمة من خلال النظر إلى النجوم التي تدور حول حافة المجرات الحلزونية. وأشاروا إلى أن هذه النجوم كانت تتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن أن تتماسك معًا بواسطة المادة المرئية للمجرة وجاذبيتها، وبدلاً من ذلك لا بد أنها تطايرت بعيدًا. التفسير الوحيد هو وجود كمية كبيرة من المادة غير المرئية التي تربط المجرة معًا.
“ما تراه في المجرة الدوامة” قال روبن عند تلك النقطة، “هذا ليس ما تحصل عليه”. اعتمد عمله على فرضية وضعها عالم الفلك السويسري فريتز زويكي في ثلاثينيات القرن الماضي، وأطلق البحث عن الجسم بعيد المنال.
منذ ذلك الحين، يحاول العلماء توجيه وحتى بناء المادة المظلمة أجهزة كبيرة العثور عليه – ولكن حتى الآن، لم يحالفنا الحظ.
في بداية البحث، اقترح عالم الفيزياء البريطاني الشهير ستيفن هوكينج أن المادة المظلمة يمكن أن تكون مختبئة في الثقوب السوداء – الموضوع الرئيسي لعمله – التي تشكلت خلال الانفجار الكبير.
أرشيف بيتمان / غيتي إيماجز
افترض عالم الفيزياء الراحل ستيفن هوكينج أن المادة المظلمة يمكن أن تكون مختبئة في الثقوب السوداء التي تشكلت أثناء الانفجار الكبير.
الآن، أعادت دراسة جديدة أجراها باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التركيز على النظرية مرة أخرى، وكشفت عن سبب تكوين هذه الثقوب السوداء البدائية، وربما اكتشاف نوع جديد تمامًا من الثقوب السوداء الغريبة في هذه العملية.
وقال ديفيد كايزر، أحد مؤلفي الدراسة: “لقد كانت مفاجأة رائعة حقًا”.
وقال كايزر: “نحن نستخدم حسابات ستيفن هوكينج الشهيرة حول الثقوب السوداء، وخاصة استنتاجه المهم حول الإشعاع المنبعث من الثقوب السوداء”. “تنشأ هذه الثقوب السوداء الغريبة من محاولة حل مشكلة المادة المظلمة، فهي نتيجة ثانوية لتفسير المادة المظلمة.”
لقد قام العلماء بالعديد من التخمينات حول ماهية المادة المظلمة، بدءًا من الجسيمات غير المعروفة وحتى الأبعاد الإضافية. لكن نظرية هوكينج حول الثقوب السوداء دخلت حيز التنفيذ مؤخرًا.
وقالت إلبا ألونسو مونسالفي، المؤلفة المشاركة في الدراسة، وهي طالبة دراسات عليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لم يأخذ الناس الأمر على محمل الجد إلا قبل 10 سنوات”.
نحن نعلم الآن أن كل مجرة تقريبًا تحتوي على ثقب أسود في مركزها، وهو اكتشاف قام به باحثو أينشتاين. موجات الجاذبية لقد أوضح الاكتشاف الكبير الذي تم التوصل إليه عن طريق تصادم الثقوب السوداء في عام 2015 أنها موجودة في كل مكان.
وقال ألونسو مانسالف: “في الواقع، الكون مليء بالثقوب السوداء”. “ولكن على الرغم من البحث في كل مكان يتوقع الناس العثور عليه، لم يتم العثور على جسيم المادة المظلمة. لا يمكننا القول أن المادة المظلمة ليست جسيمًا، أو أنها بالتأكيد ثقوب سوداء. يمكن أن تكون مزيجًا من الاثنين”. لكن الآن، يتم التعامل مع الثقوب السوداء على محمل الجد باعتبارها مرشحة للمادة المظلمة.
آحرون الدراسات الحديثة أكدت صحة فرضية هوكينج، لكن عمل ألونسو مانسالف وكايزر، أستاذ الفيزياء وأستاذ تاريخ العلوم في معهد جيرمسهاوزن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يذهب إلى أبعد من ذلك ويفحص ما حدث عندما تشكلت الثقوب السوداء البدائية لأول مرة. .
ال يذاكرتم نشره في 6 يونيو في مجلة Physical Review Letters، ويكشف أن هذه الثقوب السوداء يجب أن تكون قد ظهرت في أول خمس مليون من الثانية بعد الانفجار الكبير: “إنه وقت مبكر حقًا، وأقدم بكثير من اللحظة التي توجد فيها البروتونات والنيوترونات. قال ألونسو مونسالفي: “كل شيء مخلوق ومخلوق”.
في عالمنا اليومي، لا يمكن اكتشاف البروتونات والنيوترونات وهي متحللة وتتصرف كجسيمات أولية. ومع ذلك، فنحن نعلم أنها غير موجودة لأنها تتكون من جسيمات صغيرة تسمى الكواركات، متماسكة معًا بواسطة جسيمات أخرى تسمى الغلوونات.
وأضاف ألونسو مونسالفي: “لا يمكنك العثور على الكواركات والجلونات بمفردها وحرة في الكون في الوقت الحالي لأنه بارد جدًا”. “ولكن في بداية الانفجار الكبير، عندما كان الجو حارًا جدًا، كان يُنظر إليهم على أنهم منفردون ومستقلون. لذلك تتشكل الثقوب السوداء البدائية عن طريق امتصاص الكواركات والجلونات الحرة.
مثل هذا التكوين من شأنه أن يجعله مختلفًا جذريًا عن الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية التي يلاحظها العلماء عادةً في الكون، والتي تكون نتيجة لانهيار النجوم. كما أن الثقب الأسود البدائي صغير جدًا – فقط كتلة الكويكب تتكثف، في المتوسط، في حجم الذرة. ولكن إذا كان عدد كاف من هذه الثقوب السوداء البدائية قد نجا حتى الوقت الحاضر دون أن يتبخر في الانفجار الكبير الأولي، فيمكن أن يكون مسؤولا عن كل أو معظم المادة المظلمة.
أثناء تكوين الثقوب السوداء البدائية، لا بد أن يكون نوع آخر من الثقوب السوداء غير المرئية قد تشكل كمنتج ثانوي، وفقًا للدراسة. وكان من الممكن أن تكون هذه أصغر – كتلة أ وحيد القرنيتم تكثيف أقل من بروتون واحد.
يمكن لهذه الثقوب السوداء الصغيرة، بسبب حجمها الصغير، أن تلتقط خاصية نادرة وغريبة من حساء الكوارك-غلوون التي يتم إنشاؤها منها، والتي تسمى “شحنة اللون”. وقال كايزر إنها حالة شحن فريدة للكواركات والجلونات، ولا توجد في المادة العادية.
وهذه الشحنة اللونية تجعلها فريدة من نوعها بين الثقوب السوداء التي لا تحمل أي شحنة في العادة. قال ألونسو مانسالف: “من المحتم أن حتى هذه الثقوب السوداء الصغيرة تشكلت كمنتج ثانوي[لتكوين الثقوب السوداء البدائية]، لكنها لن تكون موجودة اليوم لأنها تبخرت بالفعل”.
ومع ذلك، لو كانت موجودة لمدة عشرة ملايين من الثانية في الانفجار الكبير، لكان من الممكن أن تترك توقيعات يمكن ملاحظتها عن طريق تغيير التوازن بين نوعي الجسيمات مع تشكل البروتونات والنيوترونات.
“إن التوازن بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات التي يتم إنشاؤها هو أمر دقيق للغاية، ويعتمد على المادة الأخرى التي كانت موجودة في الكون في ذلك الوقت. إذا كانت هذه الثقوب السوداء ذات الشحنة الملونة لا تزال موجودة، فمن الممكن أن تغير التوازن بين البروتونات والشحنة الملونة”. وأضاف: “النيوترونات (لصالح أحدهما أو الآخر)، وفي السنوات القليلة المقبلة، يمكننا قياسها”.
وقال كايزر إن القياس يمكن أن يأتي من التلسكوبات الأرضية أو أجهزة الاستشعار الموجودة على الأقمار الصناعية التي تدور حولها. لكنه قال إنه قد تكون هناك طريقة أخرى لتأكيد وجود هذه الثقوب السوداء الغريبة.
وقال كايزر: “إن إنشاء مجموعة من الثقوب السوداء هو عملية عنيفة للغاية ترسل تموجات هائلة عبر الزمكان المحيط. إنها تركز على التاريخ الكوني، ولكن ليس إلى الصفر”. “.
ماذا يعني هذا بالنسبة للتجارب الحالية التي تحاول اكتشاف المادة المظلمة تجربة المادة المظلمة LZ في داكوتا الجنوبية؟
وقال كايزر: “إن فكرة وجود جزيئات جديدة جذابة هي فرضية مثيرة للاهتمام”. “هناك أنواع أخرى من التجارب الكبيرة، بعضها قيد الإنشاء، تبحث عن طرق رائعة للكشف عن موجات الجاذبية. وقد تلتقط في الواقع بعض الإشارات الزائفة من عملية الخلق العنيفة للغاية للثقوب السوداء البدائية.
وأضاف ألونسو مونسالفي أن الثقوب السوداء البدائية هي جزء من المادة المظلمة. وقال: “لا يجب أن يكون الأمر هو نفسه حقًا”. “هناك مادة مظلمة أكثر بخمس مرات من المادة العادية، والمادة العادية تتكون من مجموعة كاملة من الجسيمات المختلفة. فلماذا يجب أن تكون المادة المظلمة من نفس النوع من المادة؟
ووفقا لنيكو كابيلوتي، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء بجامعة ميامي، استعادت الثقوب السوداء البدائية شعبيتها مع اكتشاف موجات الجاذبية. إنه غير مهتم بالدراسات.
وقال كابيلوتي: “يعد هذا العمل خيارًا مثيرًا للاهتمام وقابلاً للتطبيق لشرح المادة المظلمة بعيدة المنال”.
وقال جوزيف س. و صوفيا س. قال بريامفاثا ناتاراجان، أستاذ فروتون لعلم الفلك والفيزياء. كما أنها ليست مهتمة بالدراسة.
وقال ناتاراجان: “كل الهيدروجين والهيليوم الموجود في عالمنا اليوم تم إنشاؤه في الدقائق الثلاث الأولى، وإذا كانت هذه الثقوب السوداء البدائية كبيرة بما فيه الكفاية، لكانت قد أثرت على تلك العملية، وكان من الممكن اكتشاف تلك التأثيرات”. .
“أجد أنه من المثير للغاية أن تكون هذه فرضية قابلة للاختبار بالملاحظة، مما يشير إلى أن الطبيعة يمكن أن تخلق ثقوبًا سوداء منذ العصور المبكرة جدًا عبر مسارات متعددة.”
