بحث التلسكوب الروماني عن الثقوب السوداء البدائية

ناسانانسي جريس التلسكوب الفضائي الروماني قد يكشف عن ثقوب سوداء “بوزن الريشة” لم يتم اكتشافها سابقًا بكتل تشبه الأرض. يمكن أن يكون لهذه الثقوب السوداء البدائية التي تشكلت في بداية الكون تأثير كبير على فهمنا لعلم الفلك وفيزياء الجسيمات، مما يفسر بعضًا من المادة المظلمة الموجودة في الكون.

اكتشف علماء الفلك ثقوبًا سوداء تتراوح كتلتها بين بضعة أضعاف كتلة الشمس وعشرات المليارات. ويتوقع فريق من العلماء الآن أن تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي التابع لناسا قد يكتشف فئة من الثقوب السوداء “ذات وزن الريشة” التي استعصت على الاكتشاف حتى الآن.

اليوم، تتشكل الثقوب السوداء عندما ينهار نجم ضخم أو عندما تندمج الأجسام الضخمة. ومع ذلك، يشتبه العلماء في أن الثقوب السوداء “البدائية” الصغيرة، بما في ذلك تلك ذات الكتل الشبيهة بالأرض، ربما تكونت خلال اللحظات الفوضوية الأولى للكون المبكر.

وقال ويليام دروكو، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا: “إن العثور على مجموعة من الثقوب السوداء البدائية ذات كتلة الأرض سيكون خطوة مذهلة إلى الأمام لكل من علم الفلك وفيزياء الجسيمات، حيث لا يمكن أن تتشكل هذه الأجسام من خلال أي عملية فيزيائية معروفة”. سانتا. قاد كروز دراسة كيفية تعبير الرومان عنهم. ورقة تصف النتائج نشرت في المجلة الفحص البدني د. “إذا وجدناهم، فسوف يحدث هزة في مجال الفيزياء النظرية.”

إن اكتشاف الثقوب السوداء البدائية ذات الكتلة الأرضية بواسطة التلسكوب الفضائي الروماني التابع لناسا يمكن أن يغير فهمنا للكون والمادة المظلمة. المصدر: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

وصفة الثقب الأسود البدائي

تولد أصغر الثقوب السوداء التي تتشكل اليوم عندما ينفد وقود نجم ضخم. ومع تباطؤ الاندماج النووي، يتناقص ضغطه الخارجي، وبالتالي فإن الجاذبية الداخلية تفوز بلعبة شد الحبل. ينقبض النجم ويمكن أن يصبح كثيفًا جدًا الثقب الأسود.

لكن الحد الأدنى من الكتلة مطلوب: ما لا يقل عن ثمانية أضعاف كتلة شمسنا. تتحول النجوم الأخف إلى أقزام بيضاء أو نجوم نيوترونية.

ومع ذلك، ربما سمحت ظروف الكون المبكر بتكوين ثقوب سوداء أخف بكثير. واحد له كتلة من الأرض سيكون له أفق الحدث – نقطة اللاعودة للأجسام المتساقطة – بعرض عشرة سنتات أمريكية.

يعتقد العلماء أنه منذ ولادة الكون، مر بمرحلة قصيرة ولكن مكثفة تسمى التضخم، عندما توسع الفضاء بشكل أسرع من سرعة الضوء. في هذه الظروف الخاصة، يمكن للمناطق الأكثر كثافة من المناطق المحيطة بها أن تنهار لتشكل ثقوبًا سوداء بدائية منخفضة الكتلة.

وعلى الرغم من أن النظرية تتنبأ بأن الأجسام الصغيرة جدًا سوف تتبخر قبل أن يصل الكون إلى عمره الحالي، إلا أن تلك التي لها كتل شبيهة بكتلة الأرض ربما تكون قد نجت.

سيكون لاكتشاف هذه الأجسام الصغيرة تأثير هائل على الفيزياء وعلم الفلك.

وقال كايلاش ساهو، عالم الفلك في معهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور والذي لم يشارك في الدراسة: “هذا يؤثر على كل شيء، بدءًا من تكوين المجرات وحتى محتوى المادة المظلمة للكون والتاريخ الكوني”. “سيكون تأكيد هوياتهم عملاً شاقًا ويتطلب الكثير من الإيمان من جانب علماء الفلك، لكن الأمر يستحق ذلك”.

افترض ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء قد تنكمش ببطء مع هروب الإشعاع. تسرب بطيء، يُعرف الآن باسم إشعاع هوكينج، وبمرور الوقت، يتبخر الثقب الأسود ببساطة. يوضح هذا الرسم البياني الأعمار المقدرة وأفق الحدث – النقطة التي لا يستطيع الثقب الأسود عندها الهروب من قبضته الجاذبية – وأقطار الثقوب السوداء ذات الكتل الصغيرة المختلفة. المصدر: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

تلميحات من المنازل المخفية

وقد كشفت الملاحظات بالفعل عن أدلة تشير إلى أن مثل هذه الأجسام قد تكون كامنة في مجرتنا. الثقوب السوداء البدائية غير مرئية، لكن التقلصات في الزمكان ساعدت في إثارة بعض المشتبه بهم.

التعديس الميكروي هو تأثير رصدي لأن وجود الكتلة يشوه نسيج الزمكان، مثل البصمة التي تحدث عندما يتم وضع كرة البولينج على الترامبولين. في أي وقت يبدو أن جسمًا بين النجوم يتحرك بالقرب من نجم في الخلفية من وجهة نظرنا، يجب أن يجتاز ضوء النجم الزمكان المنحني حول الجسم. إذا كانت المحاذاة قريبة بشكل خاص، فإن الجسم يعمل كعدسة طبيعية، حيث يقوم بتركيز وتضخيم ضوء نجمة الخلفية.

توصلت فرق منفصلة من علماء الفلك باستخدام بيانات من MOA (ملاحظات التعديس الدقيق في الفيزياء الفلكية) – وتجربة عدسة الجاذبية البصرية OGLE – إلى النتائج باستخدام ملاحظات التعديس الميكروي باستخدام مرصد جامعة ماونت جون في نيوزيلندا. عدد كبير بشكل غير متوقع من الأجسام المعزولة ذات كتلة الأرض.

تتنبأ نظريات تكوين الكواكب وتطورها بكتل معينة ووفرة الكواكب المارقة، وهي عوالم غير مرتبطة بنجم في المجرة. تشير ملاحظات MOA وOGLE إلى أن المزيد من الأجسام ذات كتلة الأرض تتحرك عبر المجرة أكثر مما تتوقعه النماذج.

يأخذ مفهوم هذا الفنان منهجًا خياليًا لتخيل الثقوب السوداء البدائية الصغيرة. وفي الواقع، فإن مثل هذه الثقوب السوداء الصغيرة ستواجه صعوبة في تشكيل الأقراص التراكمية التي نراها هنا. المصدر: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

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

بذل دروكو جهدًا لتحديد عدد الكواكب المارقة التي يجب أن تكون موجودة في نطاق الكتلة هذا، وكم منها يمكن أن تكون ثقوبًا سوداء بدائية يمكن لرومان اكتشافها.

إن العثور على ثقوب سوداء بدائية من شأنه أن يكشف معلومات جديدة عن الكون المبكر، ويشير بقوة إلى أن التضخم المبكر قد حدث بالفعل. وهي تشكل نسبة صغيرة من المادة المظلمة الغامضة التي يقول العلماء إنها تشكل معظم كوننا، لكنهم لم يتمكنوا حتى الآن من تحديدها.

وقال ساهو: “هذا مثال مذهل لما يمكن أن يفعله العلماء الإضافيون بالبيانات التي سيحصل عليها رومان بالفعل عند البحث عن الكواكب”. “والنتائج مثيرة للاهتمام سواء وجد العلماء دليلاً على وجود ثقوب سوداء ذات كتلة الأرض أم لا. وكلاهما سيعزز فهمنا للكون.

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

تتم إدارة تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند، بمساهمات من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا/IPAC في جنوب كاليفورنيا، ومعهد علوم التلسكوب الفضائي في بالتيمور، وفريق علمي من علماء مختلفين. معاهد البحوث. يشمل الشركاء الصناعيون الأساسيون شركة BAE Systems, Inc. في بولدر، كولورادو؛ L3Harris Technologies في روتشستر، نيويورك؛ وTeleDyne Scientific & Imaging في ثاوزند أوكس، كاليفورنيا.