چگونه سیاه‌چاله‌های نخستین از جهان اولیه می‌توانند معمای ماده تاریک را حل کنند

از زمانی که اخترشناس سویسی-آمریکایی فریتز زویکی در سال 1933 اصطلاح ‘ماده تاریک’ را ابداع کرد، این جزء غیرقابل مشاهده و غیرقابل لمس که به وفور در جهان پیدا می‌شود، موضوع جذابیت علمی برای اخترفیزیکدانان و دانشمندان سراسر جهان بوده است.

براساس تعریف، ماده تاریک یک شکل فرضی از ماده است که به علت عدم انتشار، جذب، یا انعکاس نور قابل مشاهده نیست. این ماده تقریباً 27٪ از محتوای انرژی-جرم جهان را تشکیل می‌دهد، در مقایسه با 5٪ ماده طبیعی یا باریونی که روزانه می‌بینیم و با آن روبرو می‌شویم. اما نامرئی بودن آن باعث ایجاد چالش‌هایی برای مطالعه‌اش می‌شود.

حضور ماده تاریک از طریق اثرات آن بر ساختارهای بزرگ‌مقیاس جهان مسنتج شده است. عدسی گرانشی، پدیده‌ای که شامل اجسام آسمانی عظیم (مانند خوشه‌های کهکشانی) است و باعث می‌شود نور به‌طور قابل مشاهده اطراف آن‌ها خمیده شود، مانند یک عدسی، روش اصلی استفاده شده برای استنتاج حضور ماده تاریک است.

جاذبه‌ی گرانشی قوی کهکشان‌ها نور را خم می‌کند و حضور ماده‌ی نامرئی را نشان می‌دهد که دانشمندان می‌توانند مشاهده کنند. چندین گزینه برای ماده تاریک پیشنهاد شده است، از جمله ذرات پرجرم ضعیف تعامل‌گر (WIMPs)، اکسون‌ها و سیاه‌چاله‌های نخستین.

مطالعه‌ای جدید توسط دیوید کایزر، استاد فیزیک در MIT، و البا آلونسو-مونزالو، دانشجوی دکتری MIT، مکانیسمی برای توضیح چگونگی تشکیل سیاه‌چاله‌های نخستین در جهان اولیه ارائه می‌دهد که ممکن است ماده تاریک را تشکیل دهند. پژوهش در ژورنال علمی Physical Review Letters (PRL) منتشر شد.

سیاه‌چاله‌های نخستین

داستان از مقیاسی بسیار کوچکتر یعنی ذرات زیراتمی شروع می‌شود. اما در ابتدا، بگذارید سیاه‌چاله‌های نخستین را درک کنیم. سیاه‌چاله‌های ماده معمولی از فروپاشی ستارگان عظیم به وجود می‌آیند. آنچه باقی می‌ماند یک ناحیهٔ چگال با جاذبهٔ گرانشی قوی است که نور نمی‌تواند از آن فرار کند!

در مقابل، سیاه‌چاله‌های نخستین تصور می‌شوند که در جهان اولیه، چندین بخشی از ثانیه پس از بیگ بنگ تشکیل شده‌اند در دورهٔ نوسانات چگالی بالا.

جرم سیاه‌چاله‌های نخستین می‌تواند به‌طور قابل توجهی متفاوت باشد، از زیراتمی تا چند بار بیشتر از خورشید. آن‌ها با سیاه‌چاله‌های ماده معمولی متفاوتند که تقریباً همیشه بیشتر از جرم خورشید هستند.

مفهوم سیاه‌چاله‌های نخستین اولین بار در سال 1966 توسط فیزیکدانان یاکو زلدویچ و ایگور نوویکوف پیشنهاد شد و ضمن بررسی احتمال ایجاد سیاه‌چاله‌ها در جهان اولیه مطالعه شد. در سال 1971، استیون هاوکینگ سیاه‌چاله‌های نخستین را به‌طور دقیق مطالعه کرد و نظریه داد که آن‌ها ممکن است علت ماده تاریک در لحظات بلافاصله پس از بیگ بنگ باشند. از آن زمان، سیاه‌چاله‌های نخستین به عنوان گزینه‌های بالقوه برای ماده تاریک در نظر گرفته شده‌اند.

بیشتر سیاه‌چاله‌های نخستین اخیر همچنین برای توضیح کهکشان‌های بزرگ شکل‌گرفته در جهان اولیه که تلسکوپ جیمز وب کشف کرده است، ارزیابی شده‌اند. از آنجا که سیاه‌چاله‌های نخستین بدون نور هستند و بسیاری از مدت‌هاست وجود دارند، آن‌ها می‌توانند ماده تاریک را بدون معرفی ذرات جدید توضیح دهند.

جهان اولیه

در جهان اولیه، ماده به صورتی که ما اکنون می‌شناسیم وجود نداشت. بجای آن، ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها و گلون‌ها به‌طور آزاد وجود داشتند. در حالی که کوارک‌ها ذراتی تشکیل می‌دهند که با هم ادغام شده و پروتون‌ها و نوترون‌ها را تشکیل می‌دهند، گلون‌ها مانند چسب عمل کرده و کوارک‌ها را متصل می‌کنند.

وقتی دربارهٔ جهان اولیه صحبت می‌شود، مقیاس زمانی بین 10 ^-21 و 10 ^-16 ثانیه پس از بیگ بنگ است. برای نشان دادن این موضوع، این فاصله بین یک تریلیون تریلیون ثانیه و ده هزار تریلیون ثانیه است! این مقیاس‌های زمانی بسیار کوچک و غیرقابل درک هستند.

جهان اولیه یک سوپ ذرات بنیادی مانند کوارک‌ها، گلون‌ها و الکترون‌ها بود. دماها در این مقطع حدود 100،000 تا 10 میلیون میلیارد درجهٔ سلسیوس بود. در مقایسه، هستهٔ خورشید 15 میلیون درجهٔ سلسیوس است.

این دماها و چگالی‌ها بسیار بالا بودند به طوری که ذرات بنیادی نمی‌توانستند به اتم‌ها و مولکول‌ها تبدیل شوند. با این حال، این شرایط برای تولد سیاه‌چاله‌های نخستین ایده‌آل بودند. سوپ یا پلاسما کوارک-گلون کلید فهم چگونگی ایجاد ماده تاریک سیاه‌چاله‌های نخستین در جهان اولیه و تأثیر آن بر تکامل آن است.

بار رنگ

یک نیروی قوی ، که توسط گلون‌ها واسطه می‌شود، کوارک‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند تا پروتون‌ها و نوترون‌ها را بسازد. این تعامل توسط قوانین کرومودینامیکس کوانتومی (QCD) توصیف شده و مهم‌ترین عنصر این نظریه خصوصیتی به نام بار رنگ است. مانند اینکه ذرات دارای بار الکتریکی هستند، کوارک‌ها و گلون‌ها دارای بار رنگی هستند—سبز، قرمز یا آبی.

گلون‌ها، که کوارک‌ها را به هم متصل می‌کنند، خود بار حمل می‌کنند. کوارک‌ها هرگز به تنهایی یافت نمی‌شوند زیرا به طریقی خاص به هم می‌بندند تا هادرون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) را تشکیل دهند که ذراتی بی‌بار رنگی هستند.

گلون‌ها تعاملات بین کوارک‌ها را تسهیل می‌کنند و تضمین می‌کنند که بارهای رنگ مبادله شوند تا خنثی‌بودن رنگی حفظ شود. رنگ کوارک‌ها می‌تواند در طول این تعاملات تغییر کند، اما گلون‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که هیچ دو کوارک در داخل یک هادرون رنگ یکسانی ندارند.

شاید بپرسید که این موضوع چگونه به سیاه‌چاله‌های نخستین و ماده تاریک مرتبط است. طبق نظر کایزر و آلونسو-مونزالو، سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانستند کوارک‌ها و گلون‌های آزاد را در جهان اولیه جذب کنند و بنابراین بار رنگی خود را بدست آورند.

در حالی که مطالعات قبلی به سیاه‌چاله‌های بار رنگی پرداخته‌اند، هیچ‌کدام مکانیزمی واقع‌بینانه برای تشکیل آن‌ها ارائه نداده‌اند. پژوهشگران برای پوشش این محدودیت یک طرح کلی ارائه می‌دهند که بر نحوه‌ برانسیدن بار رنگی توسط این سیاه‌چاله‌ها تمرکز دارد.

ایجاد یک پرونده

کایزر و آلونسو-مونزالو سناریویی را در جهان اولیه پیش از پیوستن کوارک‌ها و گلون‌ها به هادرون‌ها پیشنهاد می‌کنند که در آن سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانستند کوارک‌ها و گلون‌های آزاد را جذب کرده و بار رنگی پیدا کنند.

در حالی که اکثر سیاه‌چاله‌های نخستین که در این مرحله تشکیل شدند ممکن است برای زنده‌ماندن تا به امروز زیاد کوچک باشند، اما می‌توانند نمایانگر یک حالت جدید از ماده باشند و مهم‌تر از همه، حالتی که می‌توانسته بر تکامل جهان تاثیر گذارد.

پژوهشگران از یک فرآیند قوی و دقیق برای ایجاد موضع خود استفاده کردند، با تحلیل فروپاشی بحرانی شروع کردند. این روش به آن‌ها امکان داد تا بررسی کنند که این سیاه‌چاله‌ها چگونه در جرم‌های مختلف در جهان اولیه تحت شرایط مختلف تشکیل می‌شوند.

آن‌ها شرایط جهان اولیه را با استفاده از حالت پلاسما کوارک-گلون مدلسازی کردند تا تعامل بین سیاه‌چاله‌های نخستین، کوارک‌ها و گلون‌های آزاد را بررسی کنند. این مدل به کایزر و آلونسو-مونزالو کمک کرد تا بفهمند سیاه‌چاله‌های نخستین چگونه می‌توانند بار رنگی را در این محیط‌ها پیدا کنند.

آن‌ها همچنین یک چارچوب ریاضی برای محاسبه بار رنگی در داخل سیاه‌چاله‌های نخستین و شرایطی که می‌تواند منجر به کسب بار رنگی حداکثری توسط سیاه‌چاله‌های نخستین بر حسب جرم‌های‌شان شود، توسعه دادند.

“وقتی کشف کردیم که این سیاه‌چاله‌ها در پلاسما کوارک-گلون تشکیل می‌شوند، مهم‌ترین چیز که باید پیدا می‌کردیم این بود: چقدر بار رنگی در توده‌ای از ماده وجود دارد که در نهایت به یک سیاه‌چاله نخستین تبدیل می‌شود؟” گفت آلونسو-مونزالو، در یک بیانیهٔ مطبوعاتی .

سیاه‌چاله‌های نخستین با بار رنگی

پژوهشگران یافتند که مدل‌های‌شان پیش‌بینی می‌کند که سیاه‌چاله‌های بار رنگی می‌توانند در جهان اولیه زمانی که کوارک‌ها و گلون‌ها به‌طور آزاد وجود داشتند، وجود داشته باشند. علاوه بر این، آن‌ها نتیجه‌گیری کردند که تعداد کمی از این سیاه‌چاله‌های نخستین بار رنگی ممکن است دارای بیشترین بار رنگی ممکن باشند.

همچنین مطالعه‌ای جرم سیاه‌چاله‌های نخستین را در حدود 20 میلیون گرم تعیین کرد که به لحاظ کیهانی بسیار کم است. آن‌ها یک بار رنگی عظیم حدود 10 تریلیون بار واحد اساسی بار حمل می‌کنند.

این پیش‌بینی‌ها برای قبل از زمانی است که کوارک‌ها و گلون‌ها شروع به ترکیب کردند و ماده‌ای مانند آنچه ما می‌شناسیم با خنک‌شدن جهان شکل گرفت. بعد از این بازه زمانی، مدل کایزر و آلونسو-مونزالو برآورد می‌کند که برخی از سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانند زنده بمانند و بر تشکیل و توسعه سازه‌های اولیه در جهان تأثیر گذارند.

همانطور که جهان بیشتر خنک می‌شود و دماها تثبیت می‌شود، تشکیل سیاه‌چاله‌های نخستین با بار رنگ کمتر محتمل است و اتم‌ها و مولکول‌ها شروع به ظهور می‌کنند.

آیا قوانین حفاظتی همچنان اعمال می‌شوند؟

تمام فرضیه حول سیاه‌چاله‌های نخستین با بار رنگی چرخید. اما، همانطور که قبلاً ذکر شد، کوارک‌ها نمی‌توانند به‌تنهایی وجود داشته باشند؛ آن‌ها همیشه هادرون‌های بی‌بار رنگی تشکیل می‌دهند.

یکی از قوانین بنیادی علم، قانون بقای انرژی است که به بار رنگ نیز اعمال می شود. بنابراین، این موضوع در مورد سیاه‌چاله‌های نخستین با بار رنگی چگونه کار می کند؟

در جهان اولیه، در حالی که سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانستند بار رنگی پیدا کنند، بار رنگی کلی در جهان متعادل یا صفر باقی می‌ماند.

با خنک‌تر شدن جهان، سیاه‌چاله‌های بار رنگی با مادهٔ پیرامون با جذب ذرات بار رنگی یا انباشت ابر ذرات اطراف خود تعامل پیدا کردند.

نتیجه کلی شبیه به هادرون است، جایی که سیاه‌چاله نخستین به عنوان بی‌بار رنگی عمل می‌کند. بنابراین، بار رنگ همیشه حفظ می‌شود، که با قوانین بقای انرژی‌همراستا است.

این چه معنایی برای تحقیق در زمینهٔ ماده تاریک دارد

تعاملات با مادهٔ پیرامون در پنجره‌ای کوتاه که سیاه‌چاله‌های نخستین با بار رنگی ممکن بود وجود داشته باشند، منحصربه‌فرد خواهد بود. این تعاملات منحصربه‌فرد احتمالاً نشانه‌های متفاوتی از آن‌هایی که دیگر گزینه‌های ماده تاریک برجای می‌گذارند، تولید می‌کنند.

این مطالعه اشاره می‌کند که این تعاملات می‌توانند به اثرات قابل مشاهده منجر شوند زمانی که اولین هسته‌های اتمی جهان در بیگ بنگ تشکیل شد، همچنین به هم‌سطحی گرمایی ماده در جهان اولیه را مختل کنند.

یافته‌های بیشتر نشان می‌دهند که دینامیک بین این سیاه‌چاله‌ها و ابر ذرات پیرامونی امواج گرانشی تولید می‌کنند که تغییرات موج‌دار در زمان-فضا هستند.

“این اشیاء ممکن است برخی اثرات مشاهدات جالب داشته باشند. آن‌ها ممکن است تعادل این و آن را تغییر داده باشند، و این نوع چیزی است که می‌توان شروع به فکر کردن در مورد آن کرد،” گفت آلونسو-مونزالو.

احتمال اینکه سیاه‌چاله‌های نخستین به عنوان گزینه‌های ماده تاریک بالقوه مطرح شوند، هیجان‌آور است. مطالعه کایزر و آلونسو-مونزالو مرزهای دانش ما در مورد جهان اولیه و یکی از بزرگترین معماهای علمی امروز یعنی ماده تاریک را به چالش می‌کشد.