“کشف سیاه‌چاله‌های اولیه در اشیاء روزمره زمین!”

تولد سیاه‌چاله‌ها: از ستاره‌های بزرگ تا سیاه‌چاله‌های اولیه

وقتی به تشکیل یک سیاه‌چاله فکر می‌کنید، احتمالاً تصویری از یک ستاره بزرگ که سوختش تمام شده و به درون خود فرو می‌ریزد، به ذهنتان می‌آید. اما شرایط پرهرج و مرج در اوایل جهان ممکن است به تشکیل بسیاری از سیاه‌چاله‌های کوچک قبل از ظهور اولین ستاره‌ها نیز کمک کرده باشد. این سیاه‌چاله‌های اولیه برای دهه‌ها مورد نظریه‌پردازی قرار گرفته‌اند و حتی ممکن است همان ماده تاریک فراری باشند که ۸۵٪ از کل جرم جهان را تشکیل می‌دهد. با این حال، تاکنون هیچ سیاه‌چاله اولیه‌ای مشاهده نشده است.

تحقیقات جدیدی که به‌طور مشترک توسط دانشگاه بافالو رهبری می‌شود، پیشنهاد می‌کند که برای تأیید وجود این سیاه‌چاله‌ها باید هم به ابعاد بزرگ و هم به ابعاد کوچک فکر کنیم. این تحقیق نشان می‌دهد که نشانه‌های این سیاه‌چاله‌ها می‌تواند از سیاره‌های توخالی بزرگ در فضا تا تونل‌های میکروسکوپی در موادی که در زمین وجود دارند، متغیر باشد. این مطالعه نظری که قرار است در شماره دسامبر نشریه Physics of the Dark Universe منتشر شود و هم‌اکنون به صورت آنلاین در دسترس است، فرض می‌کند که یک سیاه‌چاله اولیه که درون یک جسم سنگی بزرگ در کیهان محبوس شده، هسته مایع آن را مصرف کرده و آن را توخالی می‌کند. به‌علاوه، یک سیاه‌چاله اولیه سریع‌تر ممکن است تونل‌هایی به جا بگذارد که به اندازه‌ای بزرگ باشند که با میکروسکوپ قابل مشاهده شوند، اگر از میان مواد جامد عبور کنند، از جمله موادی که در زمین وجود دارند.

دیجان استوجکوویچ، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد فیزیک در دانشگاه بافالو، می‌گوید: “احتمال یافتن این نشانه‌ها کم است، اما جستجوی آن‌ها نیاز به منابع زیادی ندارد و پاداش بالقوه، یعنی اولین شواهد از یک سیاه‌چاله اولیه، بسیار بزرگ خواهد بود.” او ادامه می‌دهد: “ما باید خارج از چارچوب فکر کنیم زیرا آنچه تاکنون برای یافتن سیاه‌چاله‌های اولیه انجام شده، مؤثر نبوده است.”

این مطالعه محاسبه کرده است که یک سیاره توخالی چقدر می‌تواند بزرگ باشد بدون اینکه به درون خود فرو بریزد و احتمال عبور یک سیاه‌چاله اولیه از یک جسم در زمین را بررسی کرده است. (اگر نگران هستید که یک سیاه‌چاله اولیه از کنار شما عبور کند، نگران نباشید. این مطالعه نتیجه‌گیری کرده است که این امر کشنده نخواهد بود.)

دی-چانگ دای، یکی از نویسندگان این تحقیق از دانشگاه ملی دونگ هوا و دانشگاه کیس وسترن ریزرو، می‌گوید: “به دلیل این احتمال‌های کم، ما بر روی نشانه‌های جامدی که هزاران، میلیون‌ها یا حتی میلیاردها سال وجود داشته‌اند، تمرکز کرده‌ایم.” کار استوجکوویچ توسط بنیاد ملی علوم حمایت شده است، در حالی که کار دای توسط شورای ملی علم و فناوری تایوان پشتیبانی شده است.

اجسام توخالی نمی‌توانند بزرگ‌تر از ۱/۱۰ اندازه زمین باشند. با گسترش سریع جهان پس از بیگ بنگ، نواحی از فضا ممکن است چگالی بیشتری نسبت به اطراف خود داشته باشند که باعث فروپاشی آن‌ها و تشکیل سیاه‌چاله‌های اولیه (PBHs) می‌شود. این سیاه‌چاله‌ها جرم بسیار کمتری نسبت به سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای که بعداً توسط ستاره‌های در حال مرگ تشکیل می‌شوند، خواهند داشت، اما همچنان بسیار متراکم خواهند بود، به‌طوری که جرم یک کوه در فضایی به اندازه یک اتم فشرده می‌شود. استوجکوویچ که پیش‌تر مکان‌هایی برای یافتن کرم‌چاله‌های نظری پیشنهاد داده بود، به این فکر افتاد که آیا یک PBH هرگز درون یک سیاره، ماه یا سیارک محبوس شده است، چه در حین تشکیل و چه بعد از آن.

تحقیقات جدید درباره سیاه‌چاله‌ها و هسته‌های توخالی

استوجکوویچ می‌گوید: “اگر جسمی دارای هسته مایع باشد، یک سیاه‌چاله کوچک (PBH) می‌تواند هسته مایع را جذب کند که چگالی آن بیشتر از چگالی لایه جامد بیرونی است.” در این صورت، اگر جسم زیر تأثیر یک سیارک قرار گیرد، ممکن است سیاه‌چاله از جسم فرار کند و تنها یک پوسته توخالی باقی بگذارد. اما آیا این پوسته به اندازه کافی قوی خواهد بود تا خود را نگه دارد، یا اینکه به سادگی تحت فشار خود فرومی‌ریزد؟

محققان با مقایسه قدرت مواد طبیعی مانند گرانیت و آهن با تنش سطحی و چگالی سطح، محاسبه کردند که چنین جسم توخالی نمی‌تواند بیشتر از یک دهم شعاع زمین باشد، که این موضوع احتمالاً آن را به یک سیاره کوچک تبدیل می‌کند نه یک سیاره واقعی. استوجکوویچ می‌گوید: “اگر بزرگ‌تر از این باشد، به احتمال زیاد فرومی‌ریزد.” این اجسام توخالی ممکن است با تلسکوپ‌ها قابل شناسایی باشند. جرم و بنابراین چگالی می‌تواند با مطالعه مدار یک جسم تعیین شود. استوجکوویچ می‌گوید: “اگر چگالی جسم برای اندازه‌اش خیلی پایین باشد، این یک نشانه خوب است که آن جسم توخالی است.”

اشیاء روزمره به عنوان تشخیص‌دهنده‌های سیاه‌چاله

برای اجسامی که هسته مایع ندارند، ممکن است PBHها به سادگی از میان آنها عبور کنند و یک تونل مستقیم باقی بگذارند، براساس این مطالعه. به عنوان مثال، یک PBH با جرم ۱۰²² گرم — که معادل ۱۰ با ۲۲ صفر است — یک تونل به ضخامت ۰.۱ میکرون باقی می‌گذارد. یک تکه بزرگ فلز یا ماده دیگر می‌تواند به عنوان یک تشخیص‌دهنده مؤثر سیاه‌چاله عمل کند، به شرطی که برای ظهور ناگهانی این تونل‌ها نظارت شود. اما استوجکوویچ می‌گوید که بهتر است به دنبال تونل‌های موجود در مواد بسیار قدیمی باشید — از ساختمان‌هایی که صدها سال قدمت دارند تا سنگ‌هایی که میلیاردها ساله هستند.

با این حال، حتی اگر فرض کنیم که ماده تاریک واقعاً از PBHها تشکیل شده است، آنها محاسبه کردند که احتمال عبور یک PBH از یک سنگ بزرگ یک میلیارد ساله ۰.۰۰۰۰۰۱ است. استوجکوویچ می‌گوید: “شما باید هزینه را در مقابل منفعت بررسی کنید. آیا این کار هزینه زیادی دارد؟ نه، ندارد.” بنابراین احتمال عبور یک PBH از کنار شما در طول عمرتان بسیار کم است، به حدی که می‌توان گفت ناچیز است. حتی اگر یکی از آنها عبور کند، احتمالاً متوجه آن نخواهید شد. برخلاف سنگ، بافت انسانی مقدار کمی تنش دارد، بنابراین یک PBH آن را پاره نخواهد کرد. و در حالی که انرژی جنبشی یک PBH ممکن است بسیار زیاد باشد، اما نمی‌تواند در حین برخورد مقدار زیادی از آن را آزاد کند زیرا با سرعت بسیار بالایی حرکت می‌کند. استوجکوویچ می‌گوید: “اگر یک گلوله از میان یک محیط با سرعتی بیشتر از سرعت صوت حرکت کند، ساختار مولکولی آن محیط زمان کافی برای پاسخگویی نخواهد داشت. اگر سنگی را از میان یک پنجره پرتاب کنید، احتمالاً پنجره خواهد شکست. اما اگر با تفنگ به پنجره شلیک کنید، احتمالاً فقط یک سوراخ باقی خواهد ماند.”

نیاز به چارچوب‌های نظری جدید

استوجکوویچ می‌گوید که مطالعات نظری از این دست بسیار حیاتی هستند و اشاره می‌کند که بسیاری از مفاهیم فیزیکی که زمانی غیرقابل تصور به نظر می‌رسیدند، اکنون به احتمال زیاد تبدیل شده‌اند. او اضافه می‌کند که این حوزه در حال حاضر با مشکلات جدی مواجه است، از جمله ماده تاریک. آخرین انقلاب‌های بزرگ آن — مکانیک کوانتومی و نسبیت عام — یک قرن پیش رخ داده‌اند. او می‌گوید: “هوشمندترین افراد روی کره زمین ۸۰ سال است که روی این مشکلات کار می‌کنند و هنوز هم نتوانسته‌اند آنها را حل کنند. ما به یک گسترش ساده از مدل‌های موجود نیاز نداریم. احتمالاً به یک چارچوب کاملاً جدید نیاز داریم.”