البحث عن الثقوب السوداء البدائية للتلسكوب الروماني

ناساهي نانسي جريس التلسكوب الفضائي الروماني يمكن أن يكشف عن ثقوب سوداء “بوزن الريشة” لم تُرى من قبل ولها كتل مشابهة لكتلة الأرض. يمكن أن يكون لهذه الثقوب السوداء البدائية، التي تشكلت في بداية الكون، تأثير كبير على فهمنا لعلم الفلك وفيزياء الجسيمات، ومن المحتمل أن تفسر بعضًا من المادة المظلمة في الكون.

اكتشف علماء الفلك ثقوبًا سوداء تتراوح كتلتها بين بضعة أضعاف كتلة الشمس وعشرات المليارات. توقعت مجموعة من العلماء اليوم أن يتمكن تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي التابع لناسا من اكتشاف فئة من الثقوب السوداء “ذات وزن الريشة” التي استعصت على الكشف حتى الآن.

اليوم، تتشكل الثقوب السوداء إما عندما ينهار نجم ضخم أو عندما تندمج الأجسام الثقيلة. ومع ذلك، يشتبه العلماء في أن الثقوب السوداء “البدائية” الأصغر، وبعضها له كتل مماثلة لكتلة الأرض، يمكن أن تكون قد تشكلت في اللحظات المبكرة الفوضوية للكون المبكر.

وقال ويليام ديروكو، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في سانتا: “إن اكتشاف مجموعة من الثقوب السوداء البدائية ذات كتلة الأرض سيكون بمثابة إنجاز مذهل لكل من علم الفلك وفيزياء الجسيمات، لأن هذه الأجسام لا يمكن أن تتشكل من خلال أي عملية فيزيائية معروفة”. . كروز الذي أجرى دراسة حول كيفية كشف الرومان لهم. مقال يصف النتائج تم نشره في المجلة الفحص البدني د. “إذا وجدناهم، فسوف يحدث هزة في مجال الفيزياء النظرية. »

إن اكتشاف الثقوب السوداء البدائية ذات كتلة الأرض باستخدام التلسكوب الفضائي الروماني التابع لناسا يمكن أن يغير فهمنا للكون والمادة المظلمة. مصدر الصورة: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

وصفة الثقب الأسود البدائي

تولد أصغر الثقوب السوداء التي تتشكل اليوم عندما ينفد وقود نجم ضخم. ويتناقص ضغطها الخارجي مع تراجع الاندماج النووي، وبالتالي فإن قوة الجاذبية الداخلية تفوز بلعبة شد الحبل. ينقبض النجم ويمكن أن يصبح كثيفًا جدًا لدرجة أنه يصبح الثقب الأسود.

ولكن هناك حدًا أدنى للكتلة المطلوبة: ما لا يقل عن ثمانية أضعاف كتلة شمسنا. سوف تصبح النجوم الأخف إما أقزامًا بيضاء أو نجومًا نيوترونية.

ومع ذلك، من الممكن أن تكون ظروف الكون المبكر جدًا قد سمحت بتكوين ثقوب سوداء أخف بكثير. إن الشخص الذي يزن كتلة الأرض سيكون لديه أفق حدث – نقطة اللاعودة للأجسام المتساقطة – يبلغ عرضه حوالي عشرة سنتات أمريكية.

مع ولادة الكون، يعتقد العلماء أنه مر بمرحلة قصيرة ولكن مكثفة تعرف باسم التضخم، والتي توسع خلالها الفضاء بشكل أسرع من سرعة الضوء. وفي ظل هذه الظروف المحددة، كان من الممكن أن تنهار المناطق الأكثر كثافة من المناطق المحيطة بها لتشكل ثقوبًا سوداء بدائية منخفضة الكتلة.

وبينما تتنبأ النظرية بأن أصغرها يجب أن تتبخر قبل أن يصل الكون إلى عمره الحالي، فإن تلك التي لها كتل مماثلة لكتلة الأرض كان من الممكن أن تبقى على قيد الحياة.

إن اكتشاف هذه الأجسام الصغيرة سيكون له تأثير كبير على الفيزياء وعلم الفلك.

وقال كايلاش ساهو، عالم الفلك في معهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور، والذي لم يشارك في الدراسة: “سيؤثر ذلك على كل شيء، بدءًا من تكوين المجرات وحتى محتوى المادة المظلمة في الكون وحتى التاريخ الكوني”. “سيكون تأكيد هويتهم عملاً شاقًا وسيحتاج علماء الفلك إلى الكثير من الجهد لإقناعهم، لكن الأمر يستحق ذلك”.

افترض ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء قد تتقلص ببطء مع هروب الإشعاع. إن الهروب البطيء لما يسمى الآن بإشعاع هوكينج من شأنه، مع مرور الوقت، أن يتسبب ببساطة في تبخر الثقب الأسود. يوضح مخطط المعلومات هذا الأعمار المقدرة وأفق الحدث – النقطة التي لا يمكن بعدها للأجسام المتساقطة الهروب من قبضة جاذبية الثقب الأسود – وأقطار الثقوب السوداء ذات الكتل الصغيرة المختلفة. مصدر الصورة: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

نصائح حول المستوطنين المخفية

وقد كشفت الملاحظات بالفعل عن أدلة تشير إلى أن مثل هذه الأجسام يمكن أن تكون مختبئة في مجرتنا. يُعتقد أن الثقوب السوداء البدائية غير مرئية، لكن التموجات في الزمكان ساعدت في تحديد بعض المشتبه بهم المحتملين.

التعديس الميكروي هو تأثير رصدي يحدث لأن وجود الكتلة يشوه نسيج الزمكان، مثل البصمة التي تتركها كرة البولينج عند وضعها على الترامبولين. عندما يبدو أن جسمًا ما ينجرف بالقرب من نجم في الخلفية من وجهة نظرنا، فإن الضوء الصادر من النجم يجب أن يمر عبر الزمكان المشوه حول الجسم. إذا كانت المحاذاة قريبة بشكل خاص، يمكن أن يعمل الجسم كعدسة طبيعية، حيث يقوم بتركيز وتضخيم الضوء الصادر من نجم الخلفية.

تم اكتشاف مجموعات منفصلة من علماء الفلك باستخدام بيانات من MOA (ملاحظات التعديس الميكروي في الفيزياء الفلكية) – وهو تعاون يقوم بإجراء ملاحظات التعديس الميكروي باستخدام مرصد جامعة ماونت جون في نيوزيلندا – وOGLE (تجربة عدسة الجاذبية البصرية) عدد كبير بشكل مدهش من الكائنات المعزولة عن كتلة الأرض.

تتنبأ نظريات تكوين الكواكب وتطورها بكتل معينة ووفرة الكواكب المارقة، وهي عوالم تجوب المجرة ولا علاقة لها بنجم. تشير ملاحظات MOA وOGLE إلى أن هناك عددًا أكبر من الأجسام ذات كتلة الأرض تنجرف عبر المجرة أكثر مما تتوقعه النماذج.

يأخذ مفهوم هذا الفنان منهجًا غريب الأطوار لتخيل الثقوب السوداء البدائية الصغيرة. في الواقع، فإن مثل هذه الثقوب السوداء الصغيرة ستواجه صعوبة في تشكيل الأقراص التراكمية التي تجعلها مرئية هنا. مصدر الصورة: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

وقال ديروكو: “لا توجد طريقة للتمييز بين الثقوب السوداء ذات الكتلة الأرضية والكواكب المارقة على أساس كل حالة على حدة”. لكن العلماء يتوقعون أن يجد رومان أجسامًا في هذا النطاق الكتلي أكبر بعشر مرات من التلسكوبات الأرضية. “سيكون الروماني قويًا للغاية في التمييز بين الاثنين إحصائيًا.”

قاد ديروكو جهودًا لتحديد عدد الكواكب المارقة التي يجب أن تكون في هذا النطاق الكتلي، وعدد الثقوب السوداء البدائية التي يمكن للرومان تمييزها فيما بينها.

إن اكتشاف الثقوب السوداء البدائية من شأنه أن يكشف عن معلومات جديدة حول الأكوان المبكرة للغاية، ويشير بقوة إلى حدوث فترة مبكرة من التضخم بالفعل. ويمكن أن يفسر أيضًا نسبة صغيرة من المادة المظلمة الغامضة التي يعتقد العلماء أنها تشكل معظم الكتلة في كوننا، لكنهم لم يتمكنوا من تحديدها حتى الآن.

وقال ساهو: “هذا مثال مثير لشيء يمكن أن يفعله علماء إضافيون بالبيانات التي سيحصل عليها رومان بالفعل أثناء بحثه عن الكواكب”. “والنتائج مثيرة للاهتمام سواء وجد العلماء دليلاً على وجود ثقوب سوداء ذات كتلة الأرض أم لا. وفي كلتا الحالتين، فإنه من شأنه أن يعزز فهمنا للكون.

المرجع: “الكشف عن الثقوب السوداء البدائية ذات الكتلة الأرضية باستخدام تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي” بقلم ويليام ديروكو وإيفان فرانجيباني ونيك هامر وستيفانو بروفومو ونولان سميث، 8 يناير 2024، الفحص البدني د.
دوى: 10.1103/PhysRevD.109.023013

يتم تشغيل تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند، بمشاركة مختبر الدفع النفاث التابع لناسا ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/IPAC في جنوب كاليفورنيا، ومعهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور وفريق علمي مكون من علماء من مختلف أنحاء العالم. المؤسسات البحثية. ومن بين شركاء الصناعة الرئيسيين شركة BAE Systems, Inc في بولدر، كولورادو؛ L3Harris Technologies في روتشستر، نيويورك؛ وTeledyne Scientific & Imaging في ثاوزند أوكس، كاليفورنيا.