قبل خمسين عامًا، اقترح الفيزيائي ستيفن هوكينج أن المادة المظلمة قد تكون عبارة عن مجموعة من الثقوب السوداء، والتي ربما تكونت بعد وقت قصير من الانفجار الكبير. كما أنها كانت موجودة لفترة قصيرة ولكنها أثرت على معالم الكون
مقابل كل كيلوغرام من المادة يمكننا رؤيته - من الكمبيوتر الموجود على سطح المكتب إلى النجوم والمجرات البعيدة - هناك 5 كيلوغرامات من المادة غير المرئية التي تملأ بيئتنا. هذه "المادة المظلمة" هي كيان غامض يستعصي على أي شكل من أشكال المراقبة المباشرة ولكن وجودها واضح من خلال سحبها غير المرئي للأشياء المرئية.
قبل خمسين عامًا، اقترح الفيزيائي ستيفن هوكينج أن المادة المظلمة قد تكون عبارة عن مجموعة من الثقوب السوداء، والتي ربما تكونت بعد وقت قصير من الانفجار الكبير.
لم تكن هذه الثقوب السوداء "البدائية" هي العمالقة التي نعرفها اليوم، بل كانت مناطق مجهرية من مادة كثيفة للغاية تشكلت في الخمس الأول من الثانية بعد الانفجار الكبير ثم انهارت وانتشرت في جميع أنحاء الكون، مما أثر على الزمكان حوله. لهم بطرق يمكن أن تفسر المادة المظلمة التي نراها اليوم.
الآن، اكتشف الفيزيائيون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن هذه العملية البدائية كان من الممكن أيضًا أن تنتج ظواهر ثانوية غير متوقعة: ثقوب سوداء أصغر حجمًا تحتوي على كميات غير مسبوقة من الخاصية الفيزيائية النووية المعروفة باسم "الشحنة الملونة".
كانت هذه الثقوب السوداء الصغيرة "المشحونة للغاية" في حالة مادة جديدة تمامًا، ومن المحتمل أنها تبخرت في جزء من الثانية بعد تشكلها. ومع ذلك، لا يزال من الممكن أن تؤثر على مرحلة كونية رئيسية: الوقت الذي تشكلت فيه النوى الذرية الأولى.
ويفترض الفيزيائيون أن اللون الأسود المشحون يمكن أن يؤثر على توازن النوى المندمجة، بطريقة يمكن أن يكتشفها علماء الفلك في المستقبل من خلال القياسات. مثل هذه الملاحظة من شأنها أن تشير بشكل مقنع إلى الثقوب السوداء البدائية باعتبارها أصل كل المادة المظلمة اليوم.
يقول ديفيد كايزر، أستاذ تاريخ العلوم وأستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "على الرغم من أن (هذه الرؤوس السوداء الغريبة قصيرة العمر) غير موجودة اليوم، إلا أنه من الممكن أن يكون لها تأثير على التاريخ الكوني بطرق قد تظهر في إشارات خفية اليوم". . "ضمن فكرة أن كل المادة المظلمة يمكن تفسيرها بالثقوب السوداء، فإنها تعطينا توجيهًا بشأن أشياء جديدة يمكننا البحث عنها."
نشر كايزر وشريكته في التأليف، طالبة الدراسات العليا ألبا ألونسو مونسالبا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، دراستهم في مجلة Physical Review Letters.
قبل أن تتشكل النجوم
الثقوب السوداء التي نعرفها ونكتشفها اليوم هي نتاج الانهيار النجمي، عندما ينهار مركز نجم ضخم على نفسه ويخلق منطقة كثيفة للغاية بحيث يمكنها ثني الزمكان بحيث يُحاصر كل شيء، حتى الضوء، بداخله. يمكن أن تكون مثل هذه الثقوب السوداء "الفيزيائية الفلكية" أكبر بعدة مرات من كتلة الشمس، وقد تصل كتلتها إلى مليارات المرات.
في المقابل، يمكن أن تكون الثقوب السوداء "البدائية" أصغر بكثير ويعتقد أنها تشكلت في وقت سابق لظهور النجوم. قبل أن يشكل الكون حتى العناصر الأساسية، ناهيك عن النجوم. يعتقد العلماء أن جيوبًا من المواد البدائية شديدة الكثافة يمكن أن تراكمت وانهارت لتشكل ثقوبًا سوداء مجهرية يمكن أن تكون كثيفة جدًا لدرجة أنها ضغطت كتلة الكويكب في مساحة صغيرة مثل ذرة واحدة. يمكن لسحب الجاذبية من تلك الأجسام الصغيرة غير المرئية المنتشرة في جميع أنحاء الكون أن يفسر كل المادة المظلمة التي لا يمكننا رؤيتها اليوم.
إذا كان الأمر كذلك، فمن ماذا تتكون تلك الثقوب السوداء البدائية؟ هذا هو السؤال الذي بحثه كايزر وألونسو مونسالفا في دراستهم الجديدة.
يوضح كايزر: "لقد درس الناس توزيع كتل الثقب الأسود في وقت تشكلها في الكون المبكر، لكنهم لم يربطوا ذلك أبدًا بأنواع المواد التي سقطت في الثقوب السوداء في وقت تشكلها".
الثقوب السوداء فائقة الشحن
قام علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أولاً بفحص النظريات الموجودة للتوزيع المحتمل لكتلة الثقب الأسود عند تشكلها في الكون المبكر.
يقول ألونسو مونسالابا: "كان فهمنا هو أن هناك علاقة مباشرة بين وقت تشكل الثقب الأسود البدائي وبأي كتلة تشكل". "وهذه النافذة الزمنية مبكرة بشكل سخيف."
حسبت هي وكايزر أن الثقوب السوداء البدائية يجب أن تكون قد تشكلت خلال الخمس الأول من الثانية بعد الانفجار الكبير. كانت هذه الفترة الزمنية قد أنتجت ثقوبًا سوداء مجهرية "نموذجية" كانت ضخمة مثل الكويكب وصغيرة مثل الذرة. كما أنها ستنتج جزءًا من الثقوب السوداء الصغيرة جدًا، بكتلة تعادل حجم وحيد القرن وحجم أصغر بكثير من بروتون واحد.
مما كانت مصنوعة هذه الثقوب السوداء القديمة؟ ولتحقيق هذه الغاية، قاموا بفحص الدراسات التي بحثت في تكوين الكون المبكر، وعلى وجه الخصوص، نظرية الديناميكا اللونية الكمومية (QCD) - دراسة التفاعلات بين الكواركات والجلونات.
الكواركات والجلونات هي اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات - وهي جسيمات أولية اتحدت لتشكل العناصر الأساسية للجدول الدوري. مباشرة بعد الانفجار الكبير، يقدر الفيزيائيون، استنادًا إلى QCD، أن الكون كان عبارة عن بلازما ساخنة جدًا من الكواركات والجلونات التي بردت بسرعة واتحدت لتشكل البروتونات والنيوترونات.
ويتوقع الباحثون أنه خلال خمس الثانية الأولى، كان الكون لا يزال عبارة عن حساء من الكواركات والغلوونات الحرة التي لم تكن متصلة بعد. أي ثقب أسود يتشكل في هذا الوقت كان سيبتلع الجسيمات غير المرتبطة، إلى جانب خاصية غريبة تُعرف باسم "شحنة اللون" - وهي حالة من الشحنة لا تحملها سوى الكواركات والغلوونات غير المرتبطة.
"بمجرد أن أدركنا أن الثقوب السوداء تتشكل في بلازما الكوارك والغلوون، كان الشيء الأكثر أهمية الذي كان علينا اكتشافه هو، ما مقدار الشحنة اللونية التي تحتويها كتلة المادة التي ستنتهي في الثقب الأسود البدائي؟" يقول ألونسو مونسالبا.
وباستخدام نظرية QCD، قاموا بحساب توزيع شحنة اللون التي كانت موجودة في البلازما الساخنة البدائية. ثم قارنوا ذلك بحجم المنطقة التي قد تنهار لتشكل ثقبًا أسود في أول خمس من الثانية. وتبين أن معظم الثقوب السوداء النموذجية في ذلك الوقت لم يكن لديها الكثير من الشحنات اللونية، حيث أنها تشكلت من خلال امتصاص عدد كبير من المناطق التي كانت تحتوي على خليط من الشحنات، والتي كانت في نهاية المطاف "محايدة" في الشحنة.
لكن أصغر الثقوب السوداء كانت محملة بشحنة لونية. في الواقع، ستحتوي على الحد الأقصى من أي نوع من الشحنات المسموح بها للثقب الأسود، وفقًا للقوانين الأساسية للفيزياء. وعلى الرغم من الافتراض بوجود هذه الثقوب السوداء الشاذة لعقود من الزمن، إلا أنه حتى الآن لم يكتشف أحد عملية واقعية يمكن من خلالها أن تتشكل مثل هذه الثقوب السوداء الغريبة في كوننا.
سوف تتبخر الثقوب السوداء فائقة الشحن بسرعة، ولكن ربما فقط بعد أن تبدأ النوى الذرية الأولى في التشكل. يقدر العلماء أن هذه العملية بدأت بعد حوالي ثانية من الانفجار الكبير، مما أعطى هذه الثقوب السوداء الشاذة متسعًا من الوقت لكسر ظروف التوازن التي كانت موجودة عندما بدأت النوى الأولى بالتشكل. يمكن لمثل هذه الاضطرابات أن تؤثر على كيفية تشكل النوى الأولى، بطريقة يمكن توقعها في المستقبل.
يقول ألونسو مونسالبا: "من الممكن أن تكون هذه الأجسام قد تركت بعض بصمات المراقبة المثيرة". "يمكنهم تغيير ميزان واحد ضد الآخر، وهذا هو الشيء الذي تبدأ في التساؤل عنه."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
ربما عليك أن تكون خجولة بعض الشيء
بعد مائتي عام من البحث، تفتقر إلى الكثير من المعرفة ويتم اكتشاف حقائق جديدة باستمرار
لا تكن حاسما في كل مقال