المادة المظلمة: كيف يمكن للثقوب السوداء البدائية أن تفسر لغزًا طويل الأمد

قم بالتسجيل في النشرة الإخبارية للعلوم Wonder Theory على قناة CNN. استكشف الكون بمعلومات عن الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي وغير ذلك الكثير..

سي إن إن
—

منذ حوالي 50 عامًا، كان المجتمع العلمي يتصارع مع مشكلة كبيرة: عدم وجود ما يكفي من المادة المرئية في الكون.

إن كل المادة التي يمكننا رؤيتها – النجوم والكواكب والغبار الكوني وكل شيء آخر – لا يمكنها تفسير سبب تصرف الكون بالطريقة التي يتصرف بها، ويجب أن يكون هناك خمسة أضعاف هذه الكمية حتى يتمكن الباحثون من إجراء ملاحظات منطقية. وفقا لوكالة ناسا. يسمي العلماء هذه المادة المظلمة لأنها لا تتفاعل مع الضوء وهي غير مرئية.

في سبعينيات القرن الماضي، أكد عالما الفلك الأمريكيان فيرا روبين و. كينت فورد وجود المادة المظلمة من خلال مراقبة النجوم التي تدور حول المجرات الحلزونية. وأشاروا إلى أن هذه النجوم كانت تتحرك بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن أن تتماسك معًا بواسطة المادة المرئية للمجرة وجاذبيتها، وكان ينبغي أن تنفصل بدلاً من ذلك. وكان التفسير الوحيد هو وجود كمية كبيرة من المادة غير المرئية التي تربط المجرة ببعضها البعض.

“ما نراه في المجرة الحلزونية” قال روبن في ذلك الوقت، “هذا ليس ما تحصل عليه”. اعتمد عمله على فرضية صاغها عالم الفلك السويسري فريتز زويكي في ثلاثينيات القرن العشرين، وأطلق البحث عن هذه المادة المراوغة.

ومنذ ذلك الحين، حاول العلماء مراقبة المادة المظلمة بشكل مباشر، بل وقاموا ببناءها الأجهزة الكبيرة لاكتشافه – ولكن حتى الآن، دون نجاح.

في وقت مبكر من بحثه، افترض عالم الفيزياء البريطاني الشهير ستيفن هوكينج أن المادة المظلمة يمكن أن تكون مختبئة في الثقوب السوداء – الموضوع الرئيسي لعمله – التي تشكلت خلال الانفجار الكبير.

الآن، أعادت دراسة جديدة أجراها باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا النظرية إلى دائرة الضوء مرة أخرى، وكشفت مما تتكون هذه الثقوب السوداء البدائية، وربما تكتشف نوعًا جديدًا تمامًا من الثقوب السوداء الغريبة.

وقال ديفيد كايزر، أحد مؤلفي الدراسة: “لقد كانت مفاجأة رائعة حقًا”.

وقال كايزر: “كنا نستخدم حسابات ستيفن هوكينج الشهيرة حول الثقوب السوداء، وخاصة نتائجه المهمة حول الإشعاع المنبعث من الثقوب السوداء”. “تنشأ هذه الثقوب السوداء الغريبة من محاولة حل مشكلة المادة المظلمة، فهي نتيجة ثانوية لتفسير المادة المظلمة.”

لقد اقترح العلماء العديد من الفرضيات حول ماهية المادة المظلمة، بدءًا من الجسيمات غير المعروفة إلى الأبعاد الإضافية. لكن نظرية هوكينج حول الثقب الأسود لم تدخل حيز الاستخدام إلا مؤخرًا.

وقالت إلبا ألونسو مونسالفي، المؤلفة المشاركة في الدراسة وطالبة الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لم يأخذ الناس الأمر على محمل الجد حتى ربما قبل 10 سنوات”. “وهذا لأن الثقوب السوداء بدت ذات يوم بعيدة المنال حقًا: في أوائل القرن العشرين، اعتقد الناس أنها مجرد حقيقة رياضية ممتعة، وليست مجرد حقيقة فيزيائية.”

نحن نعلم الآن أن كل مجرة ​​تقريبًا تحتوي على ثقب أسود في مركزها، واكتشاف الباحثين للثقب الأسود الذي اكتشفه أينشتاين موجات الجاذبية وقد نشأ عن اصطدام الثقوب السوداء في عام 2015 ــ وهو اكتشاف تاريخي ــ أظهر بوضوح أنها كانت موجودة في كل مكان.

وقال ألونسو مونسالفي: “في الواقع، الكون مليء بالثقوب السوداء”. “لكن لم يتم العثور على جسيم المادة المظلمة، على الرغم من أن الناس بحثوا في كل مكان توقعوا العثور عليه. هذا لا يعني أن المادة المظلمة ليست جسيمًا، ولا أنها بالتأكيد ثقوب سوداء. ويمكن أن يكون مزيجا من الاثنين معا. لكن الآن يتم التعامل مع الثقوب السوداء، باعتبارها مرشحة للمادة المظلمة، على محمل الجد.

آخر الدراسات الحديثة أكدت صحة فرضية هوكينج، لكن عمل ألونسو مونسالفي وكايزر، أستاذ الفيزياء وأستاذ تاريخ العلوم في معهد جيرمسهاوزن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يذهب إلى أبعد من ذلك ويفحص بالضبط ما حدث عندما تشكلت الثقوب السوداء البدائية لأول مرة. .

ال يذاكرالمنشور في 6 يونيو في مجلة Physical Review Letters، يكشف أن هذه الثقوب السوداء لا بد أنها ظهرت في أول خمس مليون من الثانية من الانفجار الأعظم: “هذا مبكر جدًا، وقبل وقت طويل من اللحظة التي تظهر فيها البروتونات والنيوترونات، وهي الجسيمات التي قال ألونسو مونسالفي: “كل شيء مصنوع من التشكل”.

وأضافت: في عالمنا اليومي، لا نجد بروتونات ونيوترونات منفصلة، ​​وهي تتصرف مثل الجسيمات الأولية. ومع ذلك، فنحن نعلم أنها ليست كذلك، لأنها تتكون من جسيمات أصغر تسمى الكواركات، ترتبط ببعضها البعض بواسطة جسيمات أخرى تسمى الغلوونات.

وأضاف ألونسو مونسالفي: “لا يمكنك العثور على كواركات وجلونات مفردة وحرة في الكون في الوقت الحالي لأنه بارد جدًا”. “ولكن في بداية الانفجار الكبير، عندما كان الجو حارًا جدًا، كان بإمكانك العثور عليهم بمفردهم وأحرارًا. وهكذا تكونت الثقوب السوداء البدائية عن طريق امتصاص الكواركات والجلونات الحرة.

ومثل هذا التكوين من شأنه أن يجعلها مختلفة جذريا عن الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية التي يلاحظها العلماء عادة في الكون والتي تكون نتيجة لانهيار النجوم. بالإضافة إلى ذلك، سيكون الثقب الأسود البدائي أصغر بكثير، فقط كتلة الكويكب، في المتوسط، تتكثف في حجم ذرة واحدة. ولكن إذا لم يتبخر ما يكفي من هذه الثقوب السوداء البدائية في بداية الانفجار الكبير ولم يبق على قيد الحياة حتى يومنا هذا، فمن الممكن أن تكون مسؤولة عن كل أو معظم المادة المظلمة.

ووفقا للدراسة، عندما تشكلت الثقوب السوداء البدائية، لا بد أن يكون نوع آخر من الثقوب السوداء غير المرئية قد تشكل كنوع من المنتجات الثانوية. وكان من الممكن أن تكون هذه أصغر حجمًا – فقط كتلة أ وحيد القرنمكثفة إلى أقل من حجم بروتون واحد.

من الممكن أن تكون هذه الثقوب السوداء الصغيرة، بسبب صغر حجمها، قد استحوذت على خاصية نادرة وغريبة لحساء الكوارك-غلوون الذي تشكلت فيه، والتي تسمى “الشحنة الملونة”. وقال كايزر إن هذه حالة شحن حصرية للكواركات والجلونات، ولم يتم العثور عليها مطلقًا في الأجسام العادية.

ومن شأن هذه الشحنة اللونية أن تجعلها فريدة من نوعها بين الثقوب السوداء، التي لا تحمل شحنة من أي نوع بشكل عام. قال ألونسو مونسالفي: “من المحتم أن تكون هذه الثقوب السوداء الأصغر حجمًا قد تشكلت أيضًا، كنتيجة ثانوية (لتكوين الثقوب السوداء البدائية)، لكنها لن تكون موجودة اليوم، لأنها كانت قد تبخرت بالفعل”.

ومع ذلك، لو كانت لا تزال على بعد حوالي عشرة ملايين من الثانية فقط من الانفجار الأعظم، عندما تشكلت البروتونات والنيوترونات، لكان من الممكن أن تترك بصمات يمكن ملاحظتها عن طريق تغيير التوازن بين نوعي الجسيمات.

“إن التوازن بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات المنتجة دقيق للغاية ويعتمد على العناصر الأخرى الموجودة في الكون في ذلك الوقت. وأضافت: “لو كانت هذه الثقوب السوداء المشحونة بالألوان لا تزال موجودة، لكان من الممكن أن تغير التوازن بين البروتونات والنيوترونات (لصالح أحدهما أو الآخر)، وهو ما يكفي فقط لنتمكن من قياسه في السنوات المقبلة”.

وقال كايزر إن القياس يمكن أن يأتي من التلسكوبات الأرضية أو الأجهزة الحساسة الموجودة على الأقمار الصناعية التي تدور حولها. ويضيف أنه قد تكون هناك طريقة أخرى لتأكيد وجود هذه الثقوب السوداء الغريبة.

“إن تكوين مجموعة من الثقوب السوداء هو عملية عنيفة للغاية من شأنها أن ترسل تموجات هائلة عبر الزمكان المحيط. وقال كايزر: “سوف تضعف هذه على مدار التاريخ الكوني، ولكن ليس إلى الصفر”. “يمكن للجيل القادم من أجهزة كشف الجاذبية أن يلمح الثقوب السوداء صغيرة الكتلة – وهي حالة غريبة من المادة كانت نتيجة ثانوية غير متوقعة للثقوب السوداء الأكثر عادية والتي يمكن أن تفسر المادة المظلمة اليوم. »

ماذا يعني هذا بالنسبة للتجارب الجارية التي تحاول اكتشاف المادة المظلمة، مثل تجربة المادة المظلمة LZ في داكوتا الجنوبية؟

وقال كايزر: “إن فكرة وجود جزيئات غريبة جديدة تظل فرضية مثيرة للاهتمام”. “هناك أنواع أخرى من التجارب واسعة النطاق، بعضها قيد الإنشاء، تبحث عن طرق متطورة للكشف عن موجات الجاذبية. ويمكن لهذه بالفعل التقاط بعض الإشارات الزائفة الصادرة عن عملية التكوين العنيفة للغاية للثقوب السوداء البدائية.

وأضاف ألونسو مونسالفي أنه من الممكن أيضًا أن تكون الثقوب السوداء البدائية لا تمثل سوى جزء صغير من المادة المظلمة. قالت: “لا يجب أن تكون هي نفسها”. “هناك مادة مظلمة أكثر بخمس مرات من المادة العادية، والمادة العادية تتكون من عدد كبير من الجسيمات المختلفة. فلماذا يجب أن تكون المادة المظلمة نوعًا واحدًا فقط من الأجسام؟

استعادت الثقوب السوداء البدائية شعبيتها مع اكتشاف موجات الجاذبية، ولكن لا يُعرف سوى القليل عن تكوينها، وفقًا لنيكو كابيلوتي، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء بجامعة ميامي. ولم يشارك في الدراسة.

وقال كابيلوتي: “يوفر هذا العمل خيارًا مثيرًا للاهتمام وقابلاً للتطبيق لشرح المادة المظلمة بعيدة المنال”.

وقال بريامفادا ناتاراجان، أستاذ جوزيف إس وصوفيا إس فروتون لعلم الفلك والفيزياء بجامعة ييل، إن الدراسة مثيرة وتقترح آلية تشكيل جديدة للجيل الأول من الثقوب السوداء. كما أنها لم تشارك في الدراسة.

“كل الهيدروجين والهيليوم الموجود في عالمنا اليوم تم إنشاؤه في الدقائق الثلاث الأولى، وإذا كان هناك ما يكفي من هذه الثقوب السوداء البدائية موجودة حتى ذلك الحين، لكان لها تأثير على هذه العملية وقد تكون هذه التأثيرات قابلة للاكتشاف.” قال ناتاراجان. .

“إن حقيقة أن هذه فرضية قابلة للاختبار بالملاحظة هو ما أجده مثيرًا حقًا، بصرف النظر عن حقيقة أنها تشير إلى أن الطبيعة ربما تكون قد خلقت ثقوبًا سوداء منذ العصور القديمة عبر مسارات متعددة.”