صورة الطفل الكوني.. هل تحل لغز الثقوب السوداء المفقودة؟

أشارت دراسة جديدة إلى أن الكون المبكر كان يحتوي على عدد أقل بكثير من الثقوب السوداء المصغرة مما كان يُعتقد سابقًا، ما يجعل أصول المادة المفقودة في الكون لغزًا أكبر.

الثقوب السوداء المصغرة أو البدائية (PBHs) هي ثقوب سوداء يُعتقد أنها تشكلت في الأجزاء الأولى من الثانية بعد الانفجار الكبير. ووفقا للنظريات الرائدة، فإن هذه التفردات الصغيرة الحجم ظهرت إلى الوجود من مناطق تنهار بسرعة من الغاز السميك الساخن.

إن جيوب الزمكان ذات الكثافة اللامتناهية هي التي يفسرها العديد من علماء الفيزياء بأنها المادة المظلمة في الكون، وهي كيان غامض، على الرغم من كونه غير مرئي تمامًا، يجعل الكون أثقل بكثير مما يمكن تفسيره بالمادة التي نراها.

ولكن على الرغم من أن هذه الفرضية شائعة، إلا أنها تواجه مشكلة واحدة كبيرة: لم نرصد بعد أي ثقوب سوداء بدائية بشكل مباشر. الآن، قدمت دراسة جديدة تفسيرا محتملا لسبب عدم تشكلها، ما يطرح مشكلة المادة المظلمة المفتوحة في علم الكونيات أمام تكهنات أوسع.

ووفقا للبحث، كان من الممكن أن يكون الكون الحديث قد تشكل بعدد أقل بكثير من الثقوب السوداء البدائية مقارنة بالنماذج السابقة المقدرة. نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في 29 مايو في مجلة Physical Review Letters.

"يشعر العديد من الباحثين أن الثقوب السوداء البدائية مرشح قوي للمادة المظلمة، ولكن يجب أن يكون هناك الكثير منها لتلبية هذه النظرية،" هكذا يقول المؤلف الرئيسي جيسون كريستيانو، طالب الدراسات العليا في الفيزياء النظرية بجامعة طوكيو.

وأضاف في بيان "إنها مثيرة للاهتمام لأسباب أخرى أيضًا، فمنذ الابتكار الأخير في علم فلك موجات الجاذبية، كانت هناك اكتشافات لاندماج الثقوب السوداء الثنائية، وهو ما يمكن تفسيره في حالة وجود PBHs بأعداد كبيرة. ولكن على الرغم من هذه الأسباب القوية لوفرة هذه الثقوب المتوقعة، لم نر أيًا منها بشكل مباشر، والآن لدينا نموذج يجب أن يفسر سبب حدوث ذلك".

بدأ الكون قبل 13.8 مليار سنة مع الانفجار الكبير، مما تسبب في انفجار الكون الشاب إلى الخارج بسبب قوة غير مرئية تعرف باسم الطاقة المظلمة.

مع نمو الكون، تجمعت المادة العادية، التي تتفاعل مع الضوء، حول كتل من المادة المظلمة غير المرئية لتكوين المجرات الأولى، المرتبطة ببعضها البعض من خلال شبكة كونية واسعة. في الوقت الحاضر، يعتقد علماء الكونيات أن المادة العادية والمادة المظلمة والطاقة المظلمة تشكل حوالي 5% و25% و70% من تكوين الكون على التوالي.

في البداية، كان الكون معتمًا، عبارة عن حساء بلازما لا يمكن لأي ضوء أن يجتازه دون أن يقع في شرك المجالات الكهرومغناطيسية التي تنتجها الشحنات المتحركة. ومع ذلك، بعد 380 ألف سنة من التبريد والتمدد، اتحدت البلازما في نهاية المطاف لتشكل مادة محايدة، ما أدى إلى توليد موجات كهربية ساكنة أصبحت أول ضوء للكون، وهو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB).

كان علماء الكون يبحثون عن هذه الثقوب السوداء المبكرة من خلال دراسة هذه الصورة الأولى للكون. ومع ذلك، حتى الآن، لم يتم العثور على أي منها، وفقا لمجلة لايف ساينس.

يعتقد بعض علماء الفيزياء أن هناك احتمالًا أنهم لم يكتشفوا الأعداد الهائلة من الثقوب السوداء البدائية اللازمة لتفسير المادة المظلمة، وذلك ببساطة لأنهم لم يتعلموا بعد كيفية اكتشافها.

ولكن من خلال تطبيق نموذج مبني على شكل متقدم من ميكانيكا الكم يسمى نظرية المجال الكمي على المشكلة، توصل الباحثون وراء الدراسة الجديدة إلى نتيجة مختلفة - لا يمكننا العثور على أي ثقوب سوداء بدائية لأن معظمها ببساطة لم يعد موجودا.

يُعتقد أن الثقوب السوداء البدائية قد نشأت من انهيار موجات جاذبية قصيرة قوية تموج عبر الكون. ومن خلال تطبيق نموذجهم على هذه الموجات، وجد الباحثون أن دمج هذه الموجات قد يستغرق وقتًا أقل بكثير مما تقدره النظريات الأخرى من أجل تشكيل هياكل أكبر عبر الكون. وكلما قل عدد الموجات اللازمة لإعادة إنشاء الصورة، قل عدد الثقوب السوداء البدائية.

وقال كريستيانو: "يعتقد على نطاق واسع أن انهيار الأطوال الموجية القصيرة ولكن القوية في الكون المبكر هو ما أدى إلى خلق الثقوب السوداء البدائية.. تشير دراستنا إلى أنه يجب أن يكون عدد PBHs أقل بكثير مما هو مطلوب إذا كانت بالفعل مرشحة قوية للمادة المظلمة أو أحداث موجة الجاذبية".

ولتأكيد نظريتهم، سيتطلع الباحثون إلى أجهزة كشف موجات الجاذبية المستقبلية شديدة الحساسية، مثل مشروع هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA)، والذي من المقرر إرساله إلى الفضاء على متن صاروخ آريان 3 في عام 2035.