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 بأخبار الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.

سي إن إن
—

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

كل المادة التي يمكننا رؤيتها – النجوم والكواكب والغبار الكوني وكل شيء بينهما – لا يمكنها تفسير سبب تصرف الكون بهذه الطريقة، ويجب أن يكون هناك خمسة أضعاف ما هو موجود حولنا حتى تكون ملاحظات الباحثين منطقية. وفقا لوكالة ناسا. ويطلق العلماء على تلك المادة اسم 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 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، وكان من المفترض أن تتطاير بعيدًا بدلاً من ذلك. وكان التفسير الوحيد هو وجود كمية كبيرة من المادة غير المرئية التي تربط المجرة ببعضها البعض.

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

منذ ذلك الحين، يحاول العلماء مراقبة المادة المظلمة بشكل مباشر وحتى بنائها أجهزة كبيرة لاكتشافه، ولكن حتى الآن، لم يحالفنا الحظ.

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

الآن، أعادت دراسة جديدة أجراها باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا النظرية إلى دائرة الضوء مرة أخرى، وكشفت مما تتكون هذه الثقوب السوداء البدائية، ومن المحتمل اكتشاف نوع جديد تمامًا من الثقوب السوداء الغريبة في هذه العملية.

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

وقال كايزر: “كنا نستفيد من حسابات ستيفن هوكينج الشهيرة حول الثقوب السوداء، وخاصة نتيجته المهمة حول الإشعاع الذي تنبعث منه الثقوب السوداء”. “تنشأ هذه الثقوب السوداء الغريبة من محاولة معالجة مشكلة المادة المظلمة، فهي نتيجة ثانوية لتفسير المادة المظلمة.”

لقد قام العلماء بالعديد من التخمينات حول ماهية المادة المظلمة، بدءًا من الجسيمات غير المعروفة إلى الأبعاد الإضافية. لكن نظرية هوكينج حول الثقوب السوداء لم تدخل حيز التنفيذ إلا مؤخرًا.

وقالت إلبا ألونسو مونسالفي، المؤلفة المشاركة في الدراسة، وهي طالبة دراسات عليا 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 مادية.”

نحن نعلم الآن أن كل مجرة ​​تقريبًا تحتوي على ثقب أسود في مركزها، واكتشاف الباحثين لأينشتاين موجات الجاذبية التي تم إنشاؤها عن طريق تصادم الثقوب السوداء في عام 2015 – وهو اكتشاف تاريخي – أوضح أنها موجودة في كل مكان.

وقال ألونسو مونسالفي: “في الواقع، يعج الكون بالثقوب السوداء”. “لكن لم يتم العثور على جسيم المادة المظلمة، على الرغم من أن الناس بحثوا في جميع الأماكن التي توقعوا العثور عليها. هذا لا يعني أن المادة المظلمة ليست جسيمًا، أو أنها ثقوب سوداء بالتأكيد. 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 خطوة أبعد ويبحث في ما حدث بالضبط عندما تشكلت الثقوب السوداء البدائية لأول مرة. .

ال يذاكر، الذي نُشر 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، وأبكر بكثير من اللحظة التي ظهرت فيها البروتونات والنيوترونات، قال ألونسو مونسالفي: «الجزيئات التي يتكون منها كل شيء تشكلت».

وأضافت أنه في عالمنا اليومي، لا يمكننا العثور على بروتونات ونيوترونات متفككة، وهي بمثابة جسيمات أولية. ومع ذلك، فنحن نعلم أنها ليست كذلك، لأنها تتكون من جسيمات أصغر تسمى الكواركات، مرتبطة ببعضها بواسطة جسيمات أخرى تسمى الغلوونات.

وأضاف ألونسو مونسالفي: “لا يمكنك العثور على الكواركات والجلونات بمفردها وحرة في الكون الآن، لأنه بارد جدًا”. “ولكن في وقت مبكر من الانفجار الكبير، عندما كان الجو حارا جدا، كان من الممكن العثور عليهم بمفردهم وأحرارًا. لذا فإن الثقوب السوداء البدائية تشكلت 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. كما أن الثقب الأسود البدائي سيكون أصغر بكثير، فقط كتلة الكويكب، في المتوسط، تتكثف في حجم ذرة واحدة. ولكن إذا لم يتبخر عدد كاف من هذه الثقوب السوداء البدائية في بداية الانفجار الأعظم وظل على قيد الحياة حتى يومنا هذا، فمن الممكن أن تكون مسؤولة عن كل المادة المظلمة أو معظمها.

أثناء تكوين الثقوب السوداء البدائية، لا بد أن يكون نوع آخر من الثقوب السوداء غير المرئية قد تشكل كنوع من المنتجات الثانوية، وفقًا للدراسة. وكان من الممكن أن تكون هذه أصغر حجمًا، مجرد كتلة أ وحيد القرن، مكثفة إلى أقل من حجم بروتون واحد.

هذه الثقوب السوداء الصغيرة، بسبب صغر حجمها، كانت قادرة على التقاط خاصية نادرة وغريبة من حساء الكوارك-غلوون الذي تشكلت فيه، والتي تسمى “شحنة اللون”. وقال كايزر: إنها حالة من الشحنة تقتصر على الكواركات والجلونات، ولا توجد أبدًا في الأجسام العادية.

هذه الشحنة اللونية ستجعلها فريدة من نوعها بين الثقوب السوداء، والتي عادة لا تحتوي على أي شحنة من أي نوع. قال ألونسو مونسالفي: “من المحتم أن تكون هذه الثقوب السوداء الأصغر حجمًا قد تشكلت أيضًا، كمنتج ثانوي (لتكوين الثقوب السوداء البدائية)، لكنها لن تكون موجودة اليوم بعد الآن، لأنها كانت قد تبخرت بالفعل”.

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

“إن التوازن بين عدد البروتونات وعدد النيوترونات التي تم تكوينها دقيق للغاية، ويعتمد على المواد الأخرى التي كانت موجودة في الكون في ذلك الوقت. وأضافت: “إذا كانت هذه الثقوب السوداء ذات الشحنة الملونة لا تزال موجودة، فمن الممكن أن تغير التوازن بين البروتونات والنيوترونات (لصالح أحدهما أو الآخر)، وهو ما يكفي فقط لقياس ذلك في السنوات القليلة المقبلة”.

وقال كايزر إن القياس يمكن أن يأتي من التلسكوبات الأرضية أو الأجهزة الحساسة الموجودة على الأقمار الصناعية التي تدور حولها. وأضاف 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 في الزمكان المحيط. وقال كايزر: “سوف تتضاءل هذه المعدلات على مدار التاريخ الكوني، ولكن ليس إلى الصفر”. “يمكن للجيل القادم من أجهزة كشف الجاذبية إلقاء نظرة خاطفة على 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 الكشف عن المادة المظلمة، مثل تجربة المادة المظلمة LZ في داكوتا الجنوبية؟

وقال كايزر: “إن فكرة وجود جسيمات جديدة غريبة تظل فرضية مثيرة للاهتمام”. هناك أنواع أخرى من التجارب الكبيرة، بعضها قيد الإنشاء، تبحث عن طرق مبتكرة للكشف عن موجات الجاذبية. وقد تلتقط هذه بالفعل بعض الإشارات الضالة من عملية التكوين العنيفة للغاية للثقوب السوداء البدائية.

وأضاف ألونسو مونسالفي أن هناك أيضًا احتمال أن تكون الثقوب السوداء البدائية مجرد جزء صغير من المادة المظلمة. قالت: “لا يجب أن يكون الأمر متماثلًا حقًا”. “هناك مادة مظلمة أكثر بخمس مرات من المادة العادية، والمادة العادية تتشكل من مجموعة كاملة من الجسيمات المختلفة. فلماذا يجب أن تكون المادة المظلمة نوعًا واحدًا من الأجسام؟

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

وقال كابيلوتي: “يعد 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 جديدة لتكوين الجيل الأول من الثقوب السوداء. كما أنها لم تشارك في الدراسة.

وقال ناتاراجان: “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، فإنها كانت ستؤثر على تلك العملية وقد تكون تلك التأثيرات قابلة للاكتشاف”. .

“حقيقة أن هذه فرضية قابلة للاختبار بالملاحظة هو ما أجده مثيرًا حقًا، بصرف النظر عن حقيقة أن هذا يشير إلى أن الطبيعة من المحتمل أن تصنع الثقوب السوداء بدءًا من أقدم العصور عبر مسارات متعددة.”