عندما يتعلق الأمر بالمادة المظلمة المشتبه بها في الثقوب السوداء البدائية، فقد تنهار حجة غيابهم. يمكن للثقوب السوداء الصغيرة، التي تكونت بعد ثوان من ولادة الكون، أن تبقى لفترة أطول من المتوقع، مما يحيي الشكوك حول أن الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تفسر المادة المظلمة، العنصر الأكثر غموضا في الكون.
تمثل المادة المظلمة حاليًا واحدة من أكثر المشكلات إلحاحًا في الفيزياء. وبالفعل، على الرغم من أنها تمثل ما يقرب من 85% من المادة الموجودة في الكون، إلا أن المادة المظلمة تظل غير مرئية لأعيننا لأنها لا تتفاعل مع الضوء.
نظرًا لأن الجسيمات التي تشكل الذرات التي تشكل الأشياء “اليومية” التي يمكننا رؤيتها، مثل النجوم والكواكب وأجسادنا، تتفاعل بوضوح مع الضوء، فقد دفع هذا إلى البحث عن جسيمات المادة المظلمة خارج النموذج القياسي للكون. فيزياء الجسيمات. يعتقد العديد من العلماء أن الإجابة ربما لا تزال تكمن في النموذج القياسي، إذا نظرنا إلى ابن عم أصغر للأجسام الكونية التي نعتقد عادة أنها ضخمة للغاية، وحتى وحشية: الثقوب السوداء.
متعلق ب: منظر جديد للثقب الأسود الهائل في قلب درب التبانة يلمح إلى ميزة مخفية مثيرة (صورة)
عالم في معهد ماكس بلانك فالنتين ثوس و آنا فرنانديز الكسندر من جامعة لشبونة 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 معًا وتصبح مادة مظلمة مشكوك فيها دون الحاجة إلى فيزياء جديدة.
لم يقتصر الأمر على أن التغيير الأخير في طريقة “تبخر” الثقوب السوداء أدى إلى إعادة تقييم جدوى الثقوب السوداء البدائية كما يشتبه في وجود المادة المظلمة، ولكن مع استمرار البحث عن جسيمات المادة المظلمة في ترك فراغ، فقد يبدأ المزيد من الباحثين في البحث عن المادة المظلمة. انظر بجدية أكبر إلى نظرية المادة المظلمة البدائية للثقب الأسود.
ما هي الثقوب السوداء البدائية؟
وقال ثوس لموقع Space.com: “كما يوحي الاسم، فإن الثقوب السوداء البدائية هي نوع من الثقوب السوداء التي تتشكل في وقت مبكر من الكون”. “في أول جزء من الثانية من عمر الكون، في الواقع.”
وأوضح أن جميع الهياكل التي نلاحظها في الكون، بدءًا من العناقيد المجرية الفائقة وحتى المجرات نفسها، تتشكل من كثافات زائدة طفيفة في الفضاء كانت موجودة في بداية الكون. إذا كان الكون المبكر قد شهد تقلبات في الكثافة أقوى بكثير من تلك التي خلقت هذه السمات، وانهارت هذه التقلبات قبل أن تتشكل المجرات فعليًا، فمن الممكن أن تكون هذه المناطق شديدة الكثافة قد تسببت في حدوث ثقوب سوداء بدائية.
وأضاف ثوس أنه اعتمادًا على وقت حدوث هذا الانهيار وحجمه، فإن هذه الثقوب السوداء البدائية سيكون لها كتل مختلفة تمامًا. الثقوب السوداء البدائية التي اعتبرها ثوس وفيرنانديز ألكسندر كمرشحين محتملين للمادة المظلمة ستتراوح كتلتها بين بضعة أطنان وألف طن، على وجه الدقة، وهي أقل من كتلة كوكب وأكثر في فئة كويكب صغير. .
في حين 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 تليها 26). . (أصفار) طن – هذه الثقوب السوداء البدائية صغيرة بشكل لا يصدق.
مثل نظيراتها من الثقوب السوداء الأكبر حجمًا والتي تشكلت إما عن طريق انهيار النجوم الضخمة أو اندماج الثقوب السوداء الأصغر نسبيًا، وفقًا لفرنانديز ألكسندر، سيكون للثقوب السوداء البدائية حدود خارجية لاحتجاز الضوء تسمى أفق الحدث. ويتم تحديد قطر هذا الأفق من خلال كتلة الثقب الأسود، مما يعني أن أفق الحدث سيكون صغيرًا بشكل لا يصدق في هذه الحالات. قال فرنانديز ألكسندر: “أصغر من نصف قطر البروتون”.
تم استبعاد الثقوب السوداء البدائية الصغيرة في السابق كمرشحات 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 عليه الهروب من إشعاع هوكينج بشكل أسرع، وبالتالي، يجب أن يتبخر بشكل أسرع. وهذا يعني أنه إذا كانت الثقوب السوداء البدائية موجودة على الإطلاق، فإن أصغر الأمثلة عليها 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 ذلك الوقت في الكون”.
ومع ذلك، فإن العمل الأخير الذي قام به جيورجي دفالي، عالم الفيزياء النظرية في جامعة ميونيخ والذي تعاون مع ثوس وفرنانديز ألكسندر، يشير إلى أن عملية التبخر تتوقف عند نقطة معينة. وهذا يعني أن الثقوب السوداء البدائية ذات الكتل التي يتصورها 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”. “يُسمى هذا “تحميل الذاكرة” بسبب تلك الذاكرة التي يجب الآن تمريرها إلى شيء آخر، مما يؤدي إلى إبطاء عملية التبخر الإجمالية. لذا فهو نوع من الاستقرار.”
وتعني “آلية الإنقاذ” هذه أن الثقوب السوداء البدائية عادت كمرشحين محتملين للمادة المظلمة!
شبيه 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. اتضح أن هناك أسبابًا أخرى لربط هذه الثقوب السوداء الافتراضية الصغيرة بمحتوى المادة الغامض في الكون.
ولعل الرابط الأكثر وضوحا 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 المطلوبة للمرور عبرها 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 جسيمات المادة المظلمة لأي غرض نهتم به”. “المادة المظلمة هي” خالية من الاصطدام “في النماذج القياسية، لذلك لا تتفاعل جزيئات المادة المظلمة مع بعضها البعض إلى درجة التأثير على الكون.”
وأضاف أنه إذا كانت الثقوب السوداء البدائية أخف من كتل الكواكب، فإنها، حتى على النطاق الزمني الكوني، ستكون صغيرة جدًا لدرجة أنها نادرًا ما تصطدم. قد تتجمع هذه الثقوب السوداء البدائية معًا لتكوين تأثيرات الجاذبية التي ننسبها حاليًا إلى المادة المظلمة، مثل تأثير الجاذبية الذي يمنع المجرات التي تدور بسرعة من التفكك.
ومع ذلك، إذا اجتمعت الثقوب السوداء البدائية معًا لتفسير تأثيرات المادة المظلمة، فما الذي يمنع هذه الثقوب السوداء من التجمع معًا والاندماج لتكوين ثقوب سوداء أكبر؟ ألن تتحول مجموعة من الثقوب السوداء الصغيرة في النهاية إلى ثقب أسود ضخم؟ وقال ثوس إنه تم التحقيق في الأمر وكان الجواب ببساطة: “لا”.
وتابع: «حتى لو أخذت التجمعات في الاعتبار، فإن فترات الاندماج طويلة جدًا لدرجة أنها لن تندمج إلا لتشكل ثقوبًا سوداء ضخمة حقًا على مدار عمر الكون بأكمله».
وأضاف ثوس أن جمال استخدام الثقوب السوداء البدائية كتفسير للمادة المظلمة هو أنه، على عكس اقتراح جسيم افتراضي مثل الأكسيون لتفسير اللغز، فإن الثقوب السوداء البدائية لا تتطلب امتدادًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. . أفضل تفسير لدينا للكون على المقياس دون الذري.
ومع ذلك، سيكون من الصعب للغاية تأكيد الثقوب السوداء البدائية باعتبارها مادة مظلمة، إذا كانت تفسر هذه الظاهرة بالفعل. مرة أخرى، طبيعتها التي تلتقط الضوء تعني أنها غير مرئية بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك، مع 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 عدد كبير من الثقوب السوداء الصغيرة وثقب أسود كبير واحد.
على الرغم من هذه الصعوبة، يعتزم ثوس وفيرنانديز ألكسندر البقاء خلف الثقوب السوداء البدائية – على الأقل من الناحية النظرية. إذا استمرت جسيمات المادة المظلمة المرشحة في الفشل في الظهور، فقد يكون الحل هو تشجيع المزيد من علماء الفيزياء على فحص الحاجز المجازي بين فيزياء الجسيمات وعلم الكونيات.
قال فرنانديز ألكسندر: “لا أستطيع أن أقول إنه تم رفض الثقوب السوداء البدائية كمرشحات للمادة المظلمة، ولكن تم تجاهلها لفترة من الوقت”. “الآن، نظرًا لحقيقة أننا لا نملك حقًا اكتشافًا لجسيمات المادة المظلمة، أعتقد أنه أصبح من المناسب أكثر فأكثر النظر في هذا الخيار.”
