يربط علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا المادة المظلمة بالثقوب السوداء المجهرية “المشحونة للغاية”.

تصوير لثقب أسود بدائي يتشكل وسط بحر من الكواركات والغلوونات الساخنة المشحونة بالألوان بعد جزء من الثانية من الانفجار الكبير. الائتمان: كاتا برادونجيتش

في أول خمس مليون من الثانية، كان من الممكن أن يولد الكون ثقوبًا سوداء مجهرية ذات شحنات نووية هائلة. مع الفيزيائيون.

ويشير باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى أن الثقوب السوداء البدائية، وهي شكل من أشكال المادة المظلمة، ربما تكونت في اللحظات الأولى بعد ذلك. .الانفجار العظيم وتحمل مستويات أعلى من الطاقة النووية تسمى الشحنة الملونة. ربما تكون هذه الثقوب السوداء فائقة الشحن، على الرغم من وجودها لفترة قصيرة، قد أثرت على علم الكونيات في الكون المبكر، وقد تفسر بعض الظواهر الفلكية المرصودة اليوم.

المادة المظلمة والثقوب السوداء البدائية

مقابل كل كيلوغرام من المادة يمكننا رؤيته – من الهاتف الذي بين يديك إلى النجوم والمجرات البعيدة – تتخلل 5 كيلوغرامات من المادة غير المرئية محيطنا. هذه “المادة المظلمة” هي كيان غامض يستعصي على كل أشكال المراقبة المباشرة، لكنه يجعل وجوده محسوسا على الأجسام غير المرئية.

قبل خمسين عامًا، اقترح الفيزيائي ستيفن هوكينج فكرة عما يمكن أن تكون عليه المادة المظلمة: مجموعة من الثقوب السوداء، والتي ربما تكونت بعد وقت قصير جدًا من الانفجار الكبير. هذه الثقوب السوداء “الأساسية”. ليست هذه هي الأجسام العملاقة التي نكتشفها اليوم، ولكن المناطق المجهرية من المادة فائقة الكثافة التي تشكلت في أول خمسين مليون من الثانية بعد الانفجار الكبير، ثم انهارت وتناثرت عبر الكون، مما أدى إلى سحب الزمكان المحيط على طول الطريق. ويمكنه تفسير المادة المظلمة كما نعرفها اليوم.

الكشف عن الثقوب السوداء فائقة الشحن

الآن، وجد علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن هذه العملية المبكرة أنتجت بعض المرافقين غير المتوقعين: حتى الثقوب السوداء الصغيرة التي تحتوي على كمية غير مسبوقة من الخصائص الفيزيائية النووية تسمى “الشحنات الملونة”.

كانت هذه الثقوب السوداء الصغيرة “المشحونة للغاية” عبارة عن حالة من مادة جديدة تمامًا، تتبخر في جزء من الثانية بعد تشكلها. ومع ذلك، ربما أثرت على تغير كوني أكثر أهمية: الوقت الذي تشكلت فيه النوى الأولى. يقول علماء الفيزياء إن الثقوب السوداء المشحونة بالألوان ربما أثرت على توازن النوى الذائبة، وهو ما قد يكتشفه علماء الفلك يومًا ما باستخدام القياسات المستقبلية. مثل هذه الملاحظة ستشير بقوة إلى الثقوب السوداء باعتبارها مصدر كل المادة المظلمة في الوقت الحاضر.

يقول ديفيد كايزر، أستاذ تاريخ العلوم وأستاذ الفيزياء: “حتى لو لم تعد هذه الأنواع الغريبة قصيرة العمر موجودة اليوم، فمن المحتمل أنها أثرت على التاريخ الكوني بطرق تظهر في إشارات خفية اليوم”. معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “هذا يعطينا أشياء جديدة للتفكير فيها، مع فكرة أن الثقوب السوداء يمكن أن تكون مسؤولة عن كل المادة المظلمة.”

نشر كايزر وشريكته في التأليف، طالبة الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلبا ألونسو-مانسالفي، دراستهما في السادس من يونيو في المجلة. رسائل المراجعة البدنية.

وقت ما قبل النجوم

الثقوب السوداء التي نعرفها ونكتشفها اليوم هي نتيجة الانهيار النجمي، عندما ينهار مركز نجم ضخم على نفسه بكثافة شديدة لدرجة أنه يمكن أن ينحني الزمكان ويحتجز أي شيء – حتى الضوء – بداخله. . يمكن أن تكون مثل هذه الثقوب السوداء “الفلكية” أكبر من كتلة الشمس ببضعة أضعاف، وأكبر منها بمليارات المرات.

في المقابل، يمكن أن تكون الثقوب السوداء “البدائية” أصغر بكثير، ويُعتقد أنها تشكلت في وقت ما قبل النجوم. يعتقد العلماء أن جيوب المادة البدائية فائقة الكثافة يمكن أن تتراكم وتنهار قبل أن يطبخ الكون العناصر الأساسية، ناهيك عن النجوم، لتكوين ثقوب سوداء مجهرية كثيفة بما يكفي للضغط على كتلة كويكب. الكسر هو جزء صغير ذرة. يمكن لجاذبية هذه الأجسام الصغيرة غير المرئية المنتشرة في جميع أنحاء الكون أن تفسر كل المادة المظلمة التي لا يمكننا رؤيتها اليوم.

إذا كان الأمر كذلك، فمن ماذا كانت ستتكون هذه الثقوب السوداء البدائية؟ هذا هو السؤال الذي تناوله كايزر وألونسو مانسالفي في دراستهم الجديدة.

“لقد درس الناس ما هو التوزيع الثقب الأسود يوضح كايزر: “كانت الكتل موجودة خلال هذا الإنتاج الكوني المبكر، لكنها لم تتضمن أبدًا نوع المواد التي كانت ستسقط في تلك الثقوب السوداء وقت تكوينها”.

وحيد القرن مشحون للغاية

كان علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أول من نظر في النظريات الحالية لتوزيع كتل الثقب الأسود عند تشكله لأول مرة في بداية الكون.

يقول ألونسو مانسالف: “إن ما ندركه هو أن هناك علاقة مباشرة بين وقت تشكل الثقب الأسود البدائي والكتلة التي يتشكل بها”. “وهذه النافذة الزمنية مبكرة بشكل يبعث على السخرية.”

حسبت هي وكايزر أن الثقوب السوداء البدائية يجب أن تكون قد تشكلت خلال الخمس الأول من الثانية بعد الانفجار الكبير. من الممكن أن تنتج هذه الومضات الزمنية ثقوبًا سوداء مجهرية “عادية”، كبيرة مثل الكويكب وصغيرة مثل الذرة. وكان من الممكن أيضًا أن ينتج عنها جزء صغير من الثقوب السوداء الأسرع من الصوت بكتلة وحيد القرن وحجم أصغر بكثير من البروتون.

مما تتكون هذه الثقوب السوداء البدائية؟ ولتحقيق هذه الغاية، درسوا تكوين الكون المبكر، وعلى وجه الخصوص، نظرية الديناميكا اللونية الكمية (QCD) – كيفية تفاعل الكواركات والجلونات.

ديناميات الكم وتشكيل الثقب الأسود

الكواركات والجلونات هي اللبنات الأساسية للبروتونات والنيوترونات، وهي الجسيمات الأساسية التي تشكل العناصر الأساسية للجدول الدوري. بعد الانفجار الكبير، قدر الفيزيائيون، استنادًا إلى QCD، أن الكون كان ساخنًا للغاية. بلازما ثم تبرد الكواركات والجلونات بسرعة لتشكل البروتونات والنيوترونات.

ووجد الباحثون أنه في أول خمس مليون من الثانية، كان الكون لا يزال عبارة عن حساء من الكواركات والجلونات الحرة غير المرتبطة. أي ثقب أسود يتشكل خلال هذا الوقت سوف يبتلع الجسيمات غير المرتبطة، ويجلب معها خاصية جذابة تسمى “شحنة اللون” – وهو مستوى من الشحنة الكهربائية تحمله فقط الكواركات والجلونات غير المرتبطة.

دور شحنة اللون في ديناميات الثقب الأسود

“بمجرد أن نكتشف أن هذه الثقوب السوداء تتشكل في بلازما كوارك-غلوون، فإن أهم شيء نحتاج إلى معرفته هو مقدار الشحنة اللونية الموجودة في فقاعة المادة التي تنتهي في الثقب الأسود البدائي؟” يقول ألونسو مونسالفي.

وباستخدام نظرية QCD، توصلوا إلى توزيع شحنة اللون التي لا بد أنها كانت موجودة في جميع أنحاء البلازما الساخنة المبكرة. ثم قاموا بمقارنتها بحجم الجسيم الذي يخلق ثقبًا أسود في أول خمس مليون من الثانية. في ذلك الوقت، لم تكن معظم الثقوب السوداء التقليدية تحتوي على الكثير من الشحنات الملونة، حيث كان من الممكن أن تنشأ عن طريق امتصاص عدد كبير من الجسيمات التي تحتوي على خليط من الشحنات، والتي من شأنها أن تضيف في النهاية ما يصل إلى “محايد”. ” مصاريف.

الخلاصة والتداعيات المستقبلية

لكن أصغر الثقوب السوداء مليئة بشحنة ملونة. في الواقع، وفقًا للقوانين الأساسية للفيزياء، فهي تحتوي على الحد الأقصى من الشحنة من أي نوع المسموح بها للثقب الأسود. لقد تم افتراض مثل هذه الثقوب السوداء “الفائقة” لعقود من الزمن، ولكن حتى الآن لم يكتشف أحد عملية واقعية يمكن من خلالها أن تتشكل مثل هذه الشذوذات في عالمنا.

ويصف البروفيسور برنارد كار من جامعة كوين ماري في لندن، وهو خبير في الثقوب السوداء البدائية والذي عمل لأول مرة في هذا الموضوع مع ستيفن هوكينج، العمل الجديد بأنه “مثير”. يقول كار، الذي لم يشارك في الدراسة: “هذا يوضح أن جزءًا صغيرًا من الكون المبكر كان من الممكن أن يكون لديه ظروف يمكن أن تدخل فيها أجسام ذات كميات هائلة من الشحنة اللونية (على الأقل لفترة من الوقت). ما تم تحديده هو في الدراسات السابقة للQCD.”

تتبخر الثقوب السوداء فائقة الشحن بسرعة، ولكن فقط بعد الوقت الذي تبدأ فيه النواة الأولى بالتشكل. ويقدر العلماء أن هذه العملية بدأت بعد حوالي ثانية من الانفجار الكبير، الأمر الذي كان من شأنه أن يمنح الثقوب السوداء فائقة الكتلة متسعًا من الوقت لتعطيل ظروف التوازن التي كانت موجودة عندما بدأت النوى الأولى بالتشكل. وقد تؤثر مثل هذه الاضطرابات على كيفية تطور تلك الأجنة المبكرة بطرق يمكن ملاحظتها في يوم من الأيام.

يقول ألونسو مونسالفي: “من الممكن أن تكون هذه الأجسام قد تركت بعض بصمات المراقبة المذهلة”. ربما يكونون قد قلبوا الميزان ضد هذا، وهذا هو الشيء الذي يبدأ المرء في التساؤل عنه».

المرجع: إلبا ألونسو مانسالف وديفيد آي. كيزر، 6 يونيو 2024، “الثقوب السوداء البدائية ذات الشحنة اللونية QCD”. رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.132.231402

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية. ويحظى ألونسو مانسالفي بدعم زمالة من قسم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.