خبر فوری: سیاه‌چاله‌ها از کره‌های توخالی تا تونل‌های میکروسکوپی!

زایش سیاه‌چاله‌ها: از غول‌های فروپاشیده تا سیاه‌چاله‌های اولیه

وقتی به فکرِ شکل‌گیری یک سیاه‌چاله می‌فتیم، احتمالاً تصویری از یک ستاره‌ی عظیم‌الجثه که سوختش تموم شده و داره به سمت خودش فشرده میشه، تو ذهن‌مون نقش می‌بنده. اما آشفتگیِِ اولیه‌ی جهان هم احتمالاً تو پیدایش تعداد زیادی سیاه‌چاله‌ی کوچیک، قبل از تولد اولین ستاره‌ها، نقش داشته. این سیاه‌چاله‌های اولیه، سال‌هاست که موضوع نظریه‌پردازی هستن و حتی ممکنه همون ماده‌ی‌ تاریک فراری باشن که ۸۵٪ از کل جرم عالم رو تشکیل داده. با اینکه این فرضیه وجود داره، اما تا حالا هیچ سیاه‌چاله اولیه‌ای رو رصد نکردیم.

تحقیقات جدید که با همکاری دانشگاه‌ بافالو انجام شده، پیشنهاد می‌ده برای اطمینان از وجود این سیاه‌چاله‌ها، باید به هر دو مقیاس بزرگ و کوچیک توجه کنیم. این پژوهش نشون میده که نشانه‌های این سیاه‌چاله‌ها می‌تونه از سیاره‌های توخالیِ بزرگ توی فضا تا تونل‌های ریز و میکروسکوپی توی موادی که روی زمین هستن، متغیر باشه. این مطالعه‌ی نظری، که قراره تو شماره‌ی دسامبر مجله‌ی Physics of the Dark Universe منتشر بشه و الان هم بصورت آنلاین در دسترسه، این فرض رو در نظر گرفته که یه سیاه‌چاله‌ی اولیه که داخل یه جسم سنگی بزرگ تو کیهان گیر افتاده، هسته‌ی مایع اون رو مصرف می‌کنه و باعث خالی شدن اون میشه. علاوه بر این، یه سیاه‌چاله‌ی اولیه با سرعت بالاتر هم ممکنه تونل‌هایی از خودش به جا بذاره که اون‌قدر بزرگ باشن که با میکروسکوپ هم بشه دیدشون، البته اگه از مواد جامد رد بشن، از جمله موادی که روی زمین وجود دارن.

دیجان استوجکوویچ، که یکی از نویسنده‌های این پژوهشه و استاد فیزیک دانشگاه بافالو هست، میگه: “شانس پیدا کردن این نشانه‌ها کمه، ولی برای جست‌وجوشون به منابع زیادی نیاز نیست و پاداش بالقوه‌اش، که اولین مدرک از وجود یه سیاه‌چاله‌ی اولیه هست، خیلی بزرگه.” اون ادامه میده: “ما باید فراتر از چارچوب‌های فعلی فکر کنیم، چون اونچه که تا الان برای پیدا کردن سیاه‌چاله‌های اولیه انجام شده، نتیجه‌ای نداشته.”

این مطالعه محاسبه کرده که یه سیاره‌ی خالی چه اندازه‌ای می‌تونه داشته باشه بدون اینکه فرو بریزه و احتمال عبور یه سیاه‌چاله‌ی اولیه از داخل یه جسم روی زمین رو بررسی کرده. (اگه نگران این هستید که یه سیاه‌چاله‌ی اولیه از کنارتون رد شه، خیالتون راحت، این مطالعه به این نتیجه رسیده که اتفاق مرگباری نمی‌افته.)

دی-چانگ دای، که یکی دیگه از نویسنده‌های این پژوهش از دانشگاه ملی دانگ‌هوا و دانشگاه کیس وسترن رِزِرو است، میگه: “با توجه به این احتمالات کم، ما رو نشانه‌های جامدی تمرکز کردیم که هزاران، میلیون‌ها و حتی میلیاردها سال باقی موندن.” کار استوجکوویچ توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی شده، در حالی که کار دای توسط شورای ملی علم و فناوری تایوان حمایت شده.

اجسام توخالی نمی‌تونن بزرگ‌تر از یک‌دهم اندازه‌ی زمین باشن. با انبساط سریع جهان بعد از بیگ‌بنگ، مناطقی از فضا ممکنه چگالی بیشتری نسبت به اطرافشون داشته باشن که باعث فروپاشی و تشکیل سیاه‌چاله‌های اولیه (PBHs) میشه. این سیاه‌چاله‌ها جرم خیلی کمتری نسبت به سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای دارن که بعداً توسط ستاره‌های در حال مرگ شکل می‌گیرن، اما با این حال، خیلی فشرده هستن؛ طوری که جرم یه کوه توی فضایی به اندازه یه اتم جمع میشه. استوجکوویچ، که قبلاً جاهایی برای پیدا کردن کرم‌چاله‌های نظری پیشنهاد داده بود، به این فکر افتاد که آیا یه PBH تا حالا توی یه سیاره، ماه یا سیارک گیر افتاده، چه موقع شکل‌گیریشون و چه بعد از اون.

تحقیقات نو در مورد سیاه‌چاله‌ها و کره‌های خالی

استوجکوویچ میگه: “اگه یه جسم هسته‌ی مایع داشته باشه، یه سیاه‌چاله‌ی کوچیک (PBH) می‌تونه هسته‌ی مایع رو جذب کنه، چون چگالی اون بیشتر از چگالی لایه‌ی جامد بیرونیه.” در این صورت، اگه جسم تحت تأثیر یه سیارک قرار بگیره، ممکنه سیاه‌چاله از اون جسم فرار کنه و فقط یه پوسته‌ی توخالی باقی بذاره. اما آیا این پوسته به اندازه‌ی کافی محکم هست که بتونه خودشو نگه داره، یا اینکه به سادگی تحت فشار خودش از بین میره؟

محققان با مقایسه استحکام مواد طبیعی مثل گرانیت و آهن با تنش سطحی و چگالی سطح، محاسبه کردن که یه جسم توخالی این‌چنینی نمی‌تونه بیشتر از یک دهم شعاع زمین باشه، که این موضوع احتمالاً اون رو به یه سیاره‌ی کوچیک تبدیل می‌کنه نه یه سیاره‌ی واقعی. استوجکوویچ میگه: “اگه بزرگ‌تر از این باشه، احتمالاً فرو می‌ریزه.” این اجسام توخالی ممکنه با تلسکوپ‌ها قابل شناسایی باشن. میشه با مطالعه‌ی مدار یه جسم، جرم و در نتیجه چگالی رو به دست آورد. استوجکوویچ میگه: “اگه چگالی اون جسم برای اندازه‌ش خیلی کم باشه، این یه نشانه‌ی خوبه که اون جسم توخالیه.”

ابزارهای معمولی به عنوان آشکارساز سیاه‌چاله

طبق این مطالعه، برای اجسامی که هسته‌ی مایع ندارن، PBHها ممکنه به راحتی از داخلشون عبور کنن و یه تونل مستقیم از خودشون به جا بذارن. مثلاً، یه PBH با جرم ۱۰^۲۲ گرم – که معادل ۱۰ با ۲۲ تا صفر – یه تونل به ضخامت ۰.۱ میکرون به جا می‌ذاره. یه تکه بزرگ فلز یا مواد دیگه می‌تونه به عنوان یه آشکارساز مؤثر برای سیاه‌چاله عمل کنه، البته به شرطی که برای ظهور ناگهانی این تونل‌ها تحت نظر باشه. اما استوجکوویچ میگه که بهتره دنبال تونل‌هایی بگردید که توی مواد خیلی قدیمی هستن – از ساختمون‌هایی که صدها سال قدمت دارن تا سنگ‌هایی که میلیاردها ساله هستن.

با این حال، حتی اگه فرض کنیم که ماده‌ی تاریک واقعاً از PBHها تشکیل شده، اون‌ها محاسبه کردن که احتمال عبور یه PBH از یه سنگ بزرگ که یه میلیارد سال قدمت داره، ۰.۰۰۰۰۰۱ هست. استوجکوویچ میگه: “شما باید هزینه‌ها رو با فواید بسنجید. آیا این کار هزینه‌ی زیادی داره؟ نه، نداره.” بنابراین احتمال عبور یه PBH از کنارتون تو طول عمرتون خیلی کمه، به قدری که میشه گفت تقریباً صفره. حتی اگه یکی از اون‌ها رد شه، احتمالاً متوجه‌ش نمیشید. برخلاف سنگ، بافت بدن انسان مقدار کمی تنش داره، بنابراین یه PBH اون رو پاره نمی‌کنه. و با اینکه انرژی جنبشی یه PBH ممکنه خیلی زیاد باشه، اما نمی‌تونه موقع برخورد، مقدار زیادی از اون رو آزاد کنه، چون با سرعت خیلی زیادی حرکت می‌کنه. استوجکوویچ میگه: “اگه یه گلوله با سرعتی بیشتر از سرعت صوت از یه محیط رد شه، ساختار مولکولی اون محیط، وقت کافی برای واکنش نشون دادن نداره. اگه یه سنگ رو از پنجره پرت کنید، احتمالاً پنجره میشکنه. ولی اگه با تفنگ به پنجره شلیک کنید، احتمالاً فقط یه سوراخ باقی میمونه.”

نیاز به چارچوب‌های نظری جدید

استوجکوویچ میگه که پژوهش‌های نظری از این دست خیلی حیاتی هستن و اشاره می‌کنه که خیلی از مفاهیم فیزیکی که زمانی غیرقابل تصور به نظر می‌رسیدن، الان به احتمال زیاد به واقعیت تبدیل شدن. او اضافه میکنه که این حوزه در حال حاضر با مشکلات جدی روبرو هست، از جمله ماده‌ی تاریک. آخرین انقلاب‌های بزرگش – مکانیک کوانتومی و نسبیت عام – یه قرن پیش اتفاق افتادن. او میگه: “باهوش‌ترین افراد روی کره زمین، ۸۰ ساله که دارن روی این مشکلات کار می‌کنن و هنوز نتونستن حلشون کنن. ما به یه گسترش ساده از مدل‌های موجود نیاز نداریم. احتمالاً به یه چارچوب کاملاً جدید نیاز داریم.”

“`