هل الثقوب السوداء والمادة المظلمة شيء واحد؟

تفترض دراسة جديدة أن الثقوب السوداء البدائية تكونت بعد الانفجار العظيم

 (اللوحة الموجودة في أقصى اليسار) الائتمان: ييل ووكالة الفضاء الأوروبية

تشكل كل المادة المظلمة في الكون. في العصور المبكرة للكون المرئي، بعد الانفجار العظيم، تجمعوا معًا وزرعوا تكوين المجرات الأولى، ثم تمددوا في النهاية عن طريق التغذي على الغاز والاندماج مع الثقوب السوداء الأخرى لخلق الثقوب السوداء الهائلة التي نراها في مركز المجرات مثل مجرتنا درب التبانة. 

الثقوب السوداء البدائية التي نشأت في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم - أصغر حجمًا من رأس الدبوس وغيرها من الكتل الهائلة التي تمتد لمليارات الأميال - يمكن أن تفسر كل المادة المظلمة في الكون.

إنه انعكاس لنموذج جديد للكون البدائي أنشأه علماء الفيزياء الفلكية من جامعة ييل وجامعة ميامي ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA). إذا كان هذا صحيحًا مع البيانات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي تم إطلاقه قبل أيام، فإن الاكتشاف سيغير فهم العلماء لأصول وطبيعة المادة المظلمة والثقوب السوداء.

يُعتقد أن المادة المظلمة، التي لم تتم ملاحظتها بشكل مباشر مطلقًا، وهي تشكل غالبية المادة في الكون المرئي وتعمل بمثابة سقالات غير مرئية تتشكل وتتطور عليها المجرات. قضى الفيزيائيون سنوات في اختبار مجموعة متنوعة من المواد المظلمة المرشحة، بما في ذلك الجسيمات الافتراضية مثل النيوترينوات العقيمة والجسيمات الضخمة المتفاعلة الضعيفة (WIMPS) والأكسيونات.

من ناحية أخرى، تم ملاحظة الثقوب السوداء. الثقب الأسود هو نقطة في الفضاء تكون فيها المادة شديدة الترابط والكثافة بحيث تخلق جاذبية شديدة. حتى الضوء لا يمكنه مقاومة جاذبيته، وبالتالي لايمكنه الإفلات منه. توجد الثقوب السوداء في مركز معظم المجرات.

الدراسة الجديدة، التي تم قبولها للنشر في مجلة الفيزياء الفلكية، تشير إلى نظرية تم اقتراحها لأول مرة في السبعينيات من قبل الفيزيائيين ستيفن هوكينغ وبرنارد كار. في ذلك الوقت، جادل هوكينغ وكار أنه في الجزء الأول من الثانية بعد الانفجار العظيم، ربما تكون التقلبات الصغيرة في كثافة الكون قد خلقت منظرًا للتلال مع مناطق "وعرة" لها كتلة إضافية. ستنهار هذه المناطق المتكتلة وتتحول إلى ثقوب سوداء.

في حين أن النظرية لم تكتسب قوة دفع داخل المجتمع العلمي الأوسع، تشير الدراسة الجديدة إلى أنه إذا تم تغييرها وتعديلها قليلاً، فقد يكون لها قوة تفسيرية.

قال بريامفادا ناتاراجان ، أستاذ علم الفلك والفيزياء في جامعة ييل ، إن معظم الثقوب السوداء البدائية "ولدت" بحجم يزيد عن 1.4 مرة من كتلة شمس الأرض ، فمن المحتمل أن تمثل كل المادة المظلمة.

يقول ناتاراجان وزملاؤه إن نموذجهم الجديد يظهر أن النجوم والمجرات الأولى تشكلت حول الثقوب السوداء في بدايات الكون. بالإضافة إلى ذلك، كان للثقوب السوداء البدائية القدرة على التحول إلى ثقوب سوداء فائقة الكتلة من خلال الاستمتاع بالغاز والنجوم القريبة وابتلاعها، أو عن طريق الاندماج مع الثقوب السوداء الأخرى.

قال ناتاراجان: "الثقوب السوداء البدائية، إن وجدت، قد تكون البذور التي تتكون منها جميع الثقوب السوداء الهائلة، بما في ذلك تلك الموجودة في مركز مجرة درب التبانة".

"ما أجده شخصيًا مثيرًا للغاية بشأن هذه الفكرة هو كيف تم توحيد بأناقة المشكلتين الصعبتين حقًا اللذين أعمل عليهما - وهما التحقيق في طبيعة المادة المظلمة أو السوداء وتشكيل ونمو المادة المظلمة أو السوداء. الثقوب السوداء - وحلها جميعًا على الفور ".

تتمثل مهمة تلسكوب جيمس ويب في العثور على المجرات الأولى التي تشكلت في الكون المبكر ومراقبة النجوم التي تشكل أنظمة كوكبية.

المؤلف الأول للدراسة الجديدة هو نيكو كابيلوتي ، وهو زميل سابق لما بعد الدكتوراه في مركز ييل لعلم الفلك والفيزياء الفلكية وهو الآن أستاذ مساعد للفيزياء في جامعة ميامي. أما غونتر هاسينجر، المدير العلمي لوكالة الفضاء الأوروبية، هو المؤلف الثاني للدراسة.

قال كابيلوتي: "تُظهر دراستنا أنه بدون إدخال جسيمات جديدة أو فيزياء جديدة، يمكننا حل الألغاز في علم الكونيات الحديث لطبيعة المادة المظلمة نفسها التي هي أصل الثقوب السوداء فائقة الكتلة".

يمكن للثقوب السوداء البدائية أيضًا أن تحل لغزًا كونيًا آخر: فائض الأشعة تحت الحمراء المتزامنة مع الأشعة السينية، والتي تم اكتشافها من مصادر بعيدة ومظلمة منتشرة في جميع أنحاء الكون. قال ناتاراجان وزملاؤه أن الثقوب السوداء البدائية سيقدم "بالضبط" نفس توقيع الإشعاع.

والأفضل من ذلك، أنه يمكن إثبات وجود الثقوب السوداء البدائية - أو دحضها - في المستقبل القريب، وذلك بفضل تلسكوب جيمس ويب الفضائي ومهمة LISA (هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي) التي تم الإعلان عنها في ثلاثينيات القرن الحالي.

إذا كانت المادة المظلمة مكونة من ثقوب سوداء بدائية، فقد تكون المزيد من النجوم والمجرات حولها في بدايات الكون كذلك، وهي بالضبط الحقبة التي سيتمكن تلسكوب جيمس ويب رؤيتها. في غضون ذلك، ستكون ليزا قادرة على التقاط إشارات موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية الناجمة من الاندماج الأول للثقوب السوداء البدائية.

قال هاسينجر: "إذا كانت النجوم والمجرات الأولى قد تشكلت بالفعل فيما يسمى بالعصور المظلمة، فيجب أن يكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي قادرًا على رؤية دليل على ذلك".

وأضاف ناتاراجان: "كان من المقنع استكشاف هذه الفكرة بعمق، مع العلم أن لديها القدرة على التحقق من صحتها بسرعة إلى حد ما".

 

الائتمان: معهد ليدن للفيزياء

ما هي المادة المظلمة؟ كيف تتشكل الثقوب السوداء الهائلة؟ قد تحمل الثقوب السوداء الأولية الإجابة على هذا السؤال الذي طال أمده. حدد ليدن وعلماء الكونيات الصينيون طريقة جديدة يمكن من خلالها إنتاج هذه الأجسام الافتراضية فورًا بعد الانفجار العظيم. نُشر بحثهم في مجلة Physical Review Letters.

في سعيهم لفهم الكون، يواجه العلماء ألغازًا كبيرة لم يتم حلها. على سبيل المثال، تتحرك النجوم حول المجرات كما لو أن هناك كتلة أكبر بخمس مرات مما لوحظ تجذبها وتحافظ على مداراتها. ما الذي يجعل هذه المادة المظلمة تقوم بذلك؟ ومعضلة أخرى: تحتوي المجرات على ثقوب سوداء ضخمة في نواتها، تزن ملايين الكتل الشمسية. في المجرات الفتية، لم يكن لدى النجوم المنهارة الوقت الكافي لتنمو بهذا الحجم. فكيف تشكلت الثقوب السوداء الهائلة المزعومة؟

توصل علماء الكونيات إلى حل افتراضي يمكنه حل أحد اللغزين ويتمثل بدور ما للثقوب السوداء البدائية، التي ظهرت بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم، ولديها القدرة على البقاء صغيرة أو اكتساب الكتلة بسرعة. في الحالة الأولى، هي مرشحة لتكوين المادة المظلمة أو السوداء. في الحالة الأخيرة، يمكن أن تكون بمثابة بذور للثقوب السوداء الهائلة. أعلن عالم الكونيات بجامعة لايدن دونغ جانغ وانغ وزملاؤه الصينيون يي فو كاي وشي تونغ وشينغ فينغ يان من جامعة USTC عن طريقة جديدة يمكن أن تكون هي التي تكونت بها الثقوب السوداء البدائية في عصر الانفجار العظيم.

 

الائتمان: معهد ليدن للفيزياء

 يوضح هذا الشكل جزء المادة المظلمة بسبب الثقوب السوداء البدائية (المحور الرأسي)، كدالة لكتلتها الفردية في الكتل الشمسية (المحور الأفقي). يتم استبعاد المناطق المظللة من خلال الملاحظات الفلكية. يتجلى تأثير الرنين في شكل قمم ضيقة (خطوط منقطة باللونين الأحمر والأزرق) تُظهر التوزيع الكتلي للثقوب السوداء البدائية. نظرًا لأن القمم ضيقة، يجب أن يكون لجميع الثقوب السوداء البدائية نفس الكتلة. بالنسبة لكوننا، هناك قمة حقيقية واحدة فقط، اعتمادًا على التفاصيل (غير المعروفة حتى الآن) للانفجار العظيم. على سبيل المثال، الذروة الزرقاء تقابل الثقوب السوداء من حوالي 10 إلى 100 كتلة شمسية، النطاق الذي تم اكتشافه مؤخرًا بواسطة تجربة موجات الجاذبية في مختبري ليغو وفيرغو LIGO / VIRGO. 

بعد الانفجار العظيم، احتوى الكون على اضطرابات صغيرة في الكثافة ناتجة عن تقلبات كمومية عشوائية. وكانت هذه كبيرة بما يكفي لتشكيل النجوم والمجرات، لكنها أصغر من أن تصبح ثقوبًا سوداء بدائية بمفردها. حدد وانغ وزملاؤه تأثيرًا رنينيًا جديدًا يجعل الثقوب السوداء البدائية ممكنة عن طريق زيادة اضطرابات معينة بشكل انتقائي. يؤدي هذا إلى التنبؤ بأن جميع الثقوب السوداء البدائية يجب أن يكون لها نفس الكتلة تقريبًا. تُظهر القمم الضيقة في الشكل 1 نطاقًا من الكتل المحتملة نتيجة الرنين.

نموذج قابل للتطبيق:

يقول وانغ: "الحسابات الأخرى لها طرق مختلفة لتحسين الاضطرابات، لكنها تواجه مشاكل". "نحن نستخدم الرنين أثناء التضخم، عندما ينمو الكون بشكل أسي قليلاً. بعد فترة طويلة من الانفجار العظيم. تكون حساباتنا بسيطة بما يكفي بحيث يمكننا التعامل معها. في الواقع، قد تكون الآلية أكثر تعقيدًا، لكنها بداية. القمم الضيقة التي نحصل عليها متأصلة في الآلية، لأنها تستخدم الرنين ".

 

الائتمان: NASA / JPL-Caltech / SSC

هل المادة المظلمة أو السوداء مكونة من ثقوب سوداء بدائية؟ دراسة من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية:

بعد دراسة ورصد وملاحظة المجرة القزمة غير المنتظمة IC1613. يتساءل علماء الفلك عما إذا كانت الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تشكل المادة المظلمة في الكون، ويقترحون أن أشكال المجرات القزمة الخافتة مع هالات المادة المظلمة يمكن أن تكشف عن الإجابة. 

أدرك علماء الفلك الذين درسوا حركات المجرات وطبيعة إشعاع الخلفية الكونية المنتشر في القرن الماضي أن معظم المادة في الكون لم تكن مرئية. حوالي 84٪ من المادة في الكون عبارة عن مادة مظلمة أو سوداء، يوجد الكثير منها في الهالات حول المجرات. أطلقنا عليها اسم المادة المظلمة لأنها لا تصدر ضوءًا، ولكنها أيضًا غامضة: فهي لا تتكون من ذرات أو مكوناتها المعتادة مثل الإلكترونات والبروتونات.

في غضون ذلك، لاحظ علماء الفلك تأثيرات الثقوب السوداء، وحتى أنهم اكتشفوا مؤخرًا موجات ثقالية من زوج من الثقوب السوداء المندمجة. تتشكل الثقوب السوداء عادةً أثناء الموت المتفجر للنجوم الضخمة نتيجة المستعر الأعظم السوبرنوفا، وهي عملية يمكن أن تستغرق عدة مئات من ملايين السنين عندما يندمج نجم من الغاز المحيط، ويتطور، ويموت في النهاية. من المفترض أن توجد بعض الثقوب السوداء في بدايات الكون، ولكن ربما لم يكن هناك وقت كافٍ في الكون المبكر لحدوث عملية التكوين الطبيعية. تم اقتراح بعض الطرق البديلة، مثل الانهيار المباشر للغاز البدائي أو العمليات المرتبطة بالتضخم الكوني، والتي من شأنها أن يصبح من الممكن إنشاء العديد من هذه الثقوب السوداء البدائية.

قاد عالم الفلك CfA Qirong Zhu مجموعة من أربعة علماء يبحثون في احتمال أن تكون المادة المظلمة أو السوداء اليوم مكونة من ثقوب سوداء بدائية، باتباع الاقتراحات المنشورة سابقًا. إذا كانت هالات المجرات مكونة من ثقوب سوداء، فيجب أن يكون لها توزيع كثافة مختلف عن الهالات المكونة من جسيمات غريبة. هناك اختلافات أخرى أيضًا: من المتوقع أن تتشكل هالات الثقب الأسود في وقت مبكر من تطور المجرة أكثر من بعض الأنواع الأخرى من الهالات.

يقترح العلماء أن النظر إلى النجوم في هالات المجرات القزمية الخافتة يمكن أن يكتشف هذه التأثيرات لأن المجرات القزمية صغيرة وخافتة (تتوهج ببضعة آلاف من اللمعان الشمسي) حيث يمكن اكتشاف التأثيرات الطفيفة بسهولة أكبر.

أجرى الفريق سلسلة من عمليات المحاكاة الحاسوبية لاختبار ما إذا كانت الهالات من المجرات القزمية يمكن أن تكشف عن وجود ثقوب سوداء بدائية، ووجدوا أن بإمكانهم: التفاعلات بين النجوم والثقوب السوداء في الهالة المبكرة يجب أن تعدل حجم التوزيعات النجمية قليلاً..

استنتج علماء الفلك أيضًا أن مثل هذه الثقوب السوداء يجب أن يكون لها كتل تتراوح بين حوالي اثنين إلى أربعة عشر كتلة شمسية، فقط ضمن النطاق المتوقع لهذه الأجسام الغريبة (على الرغم من أنها أصغر من الثقوب السوداء التي تم رصدها مؤخرًا بواسطة أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية) وقابلة للمقارنة بنتائج الدراسات الأخرى.

ومع ذلك، يؤكد الفريق أن جميع النماذج لا تزال غير حاسمة وأن طبيعة المادة المظلمة لا تزال بعيدة المنال.

نظرة جديدة لطبيعة المادة المظلمة:

من قبل Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC)

 يمكن أن يكون جسم العدسة الدقيقة في المجرة الأمامية نجمًا هـ (كما هو موضح)، ثقب أسود بدائي أو أي جسم مضغوط آخر.

 

 الائتمان: ناسا / جايسون كوان (مركز تكنولوجيا علم الفلك).

من أعظم الألغاز في العلم اليوم طبيعة المادة المظلمة أو السوداء التي تشكل على ما يبدو أكثر من 80٪ من كتلة الجسيمات في الكون. بيد أن عدم وجود أدلة تجريبية، والتي يمكن أن تجعل من الممكن التعرف عليها مع واحد أو آخر من الجسيمات الأولية الجديدة التي تنبأ بها المنظرون، وكذلك الاكتشاف الأخير لموجات الجاذبية الناتجة عن اندماج اثنين من الثقوب السوداء (مع كتل أعاد المرصد الليزري لموجات الجاذبية التداخلية حسابها حوالي 30 مرة) من قبل LIGO الاهتمام بإمكانية أن تتخذ المادة المظلمة شكل ثقوب سوداء بدائية ذات كتل تتراوح بين 10 و1000 مرة من كتلة الشمس.

الثقوب السوداء البدائية، والتي تنشأ من تقلبات كثافة عالية للمادة خلال اللحظات الأولى من الكون، هي من حيث المبدأ مثيرة للاهتمام للغاية. على عكس تلك التي تشكلت من النجوم، التي تكون وفرتها وكتلتها محدودة بسبب أنماط تكوين النجوم وتطورها، يمكن أن توجد الثقوب السوداء البدائية مع مجموعة واسعة من الكتل والوفرة. يمكن العثور عليها في هالات المجرات، ومن الممكن أن يؤدي اللقاء العرضي بين اثنتين منهما بكتلة 30 ضعف كتلة الشمس، يليه اندماج لاحق، إلى ظهور موجات الجاذبية أو الموجات الثقالية التي اكتشفها ليغو.

"تأثير"العدسات الدقيقة للجاذبية" Microlens":

إذا كان هناك عدد كبير من الثقوب السوداء في هالات المجرات، فإن بعضها يعترض الضوء القادم نحونا من كوازار بعيد. بسبب حقول الجاذبية القوية، يمكن أن تركز جاذبيتها أشعة الضوء وتسبب زيادة في السطوع الظاهر للكوازار. هذا التأثير، المعروف باسم "العدسات الدقيقة للجاذبية"، يزداد أهمية كلما كبرت كتلة الثقب الأسود، وكلما زاد احتمال اكتشافه كلما زاد وجود هذه الثقوب السوداء. لذلك، على الرغم من عدم إمكانية اكتشاف الثقوب السوداء نفسها بشكل مباشر، إلا أنه سيتم اكتشافها من خلال زيادة سطوع الكوازارات المرصودة.

في هذه الفرضية، استخدمت مجموعة من العلماء تأثير العدسات الدقيقة على الكوازارات لتقدير عدد الثقوب السوداء البدائية ذات الكتلة المتوسطة في المجرات. تُظهر الدراسة، التي قادها الباحث من معهد الفضاء الفلكي في جزر الكناري (IAC) وجامعة لا لاغونا (ULL)، Evencio Mediavilla Gradolph، أن النجوم العادية مثل الشمس تسبب تأثيرات العدسات الدقيقة، باستثناء وجود عدد كبير من الثقوب السوداء البدائية ذات الكتلة المتوسطة.

المحاكاة الحاسوبية:

باستخدام المحاكاة الحاسوبية، قارنوا الزيادة في السطوع، في الضوء المرئي والأشعة السينية، لـ 24 كوازارًا بعيدًا بالقيم التي تنبأ بها تأثير العدسة الدقيقة. ووجدوا أن قوة التأثير صغيرة نسبيًا، كما يتوقع المرء من الأجسام التي تتراوح كتلتها بين 0.05 و0.45 مرة من كتلة الشمس، وأقل بكثير من الثقوب السوداء ذات الكتلة المتوسطة. بالإضافة إلى ذلك، قدروا أن هذه العدسات الدقيقة تشكل حوالي 20٪ من الكتلة الكلية للمجرة، وهو ما يعادل الكتلة المتوقعة في النجوم. وهكذا تظهر نتائجهم أنه مع وجود احتمال كبير، فإن النجوم العادية وليست الثقوب السوداء البدائية ذات الكتلة المتوسطة هي المسؤولة عن العدسات الدقيقة المرصودة.

يوضح Evencio Mediavilla قائلاً: "تشير هذه الدراسة إلى أنه ليس من المحتمل على الإطلاق أن تشكل الثقوب السوداء التي تزيد كتلتها عن 10 إلى 100 ضعف كتلة الشمس جزءًا كبيرًا من المادة المظلمة". لهذا السبب، فإن الثقوب السوداء التي تم الكشف عن اندماجها بواسطة ليغو تشكلت على الأرجح عن طريق النجوم المنهارة، ولم تكن ثقوبًا سوداء بدائية ".

يشمل علماء الفلك المشاركون في هذا البحث خورخي خيمينيز فيسنتي وخوسيه كالديرون إنفانتي (جامعة غرناطة) وخوسيه إيه مونيوز لوزانو وهيكتور فيفيس أرياس (جامعة فالنسيا).

كم يحتوي الكون من الثقوب السوداء؟:

 

الائتمان: NASA / JPL-Caltech

الثقوب السوداء الهائلة هي أجسام شديدة الكثافة مدفونة في قلب المجرات. 

كلنا نخشى الثقوب السوداء، لكن ما هو عددها حقًا؟ بين الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية والثقوب السوداء الهائلة، ما هي نسبة الكون المكونة من الثقوب السوداء؟

هناك نوعان من الثقوب السوداء في الكون نعرفهما: هناك ثقوب سوداء ذات كتلة نجمية، مكونة من نجوم ضخمة، وثقب أسود هائل يعيش في قلب كل مجرة من المجرات في الكون المرئي.

حوالي 1 من كل 1000 نجم لديه كتلة كافية ليصبح ثقبًا أسود عند موته. تحتوي مجرتنا درب التبانة على أكثر من 100 مليار نجم، مما يعني أنه يمكن أن تحتوي على ما يصل إلى 100 مليون ثقب أسود ذو كتلة نجمية. نظرًا لوجود مئات المليارات من المجرات في الكون المرئي، فهناك الكثير والكثير من الثقوب السوداء. في الواقع، تشير الحسابات إلى أن ثقبًا أسود جديدًا يتشكل كل ثانية أو نحو ذلك. لذا، فقط للتلخيص، الكون بأسره حوالي 1/1000 من الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية "ذات السمة العادية".

للثقوب السوداء الهائلة قصة مختلفة قليلاً. يبعد ثقبنا الأسود المجري المركزي حوالي 26000 سنة ضوئية منا. رسميًا يُطلق عليه اسم A-star Sagittarius، لكن لأغراضنا سأطلق عليه اسم Kevin. فقط لكي تعرف أنهم لا يستخدمون هذا المصطلح "supermassive" بدون سبب، تصل كتلة كيفن Kevin على 4.1 مليون ضعف كتلة الشمس.

الثقب الأسود كيفن عملاق ورهيب. يمكننا فقط أن نتخيل كيف يكون الحال في منطقة الفضاء بالقرب من كيفن. ما هي نسبة المجرة التي تعتقد أن كيفن يمثلها، من حيث الكتلة؟

على الرغم من أن كيفن فائق الكتلة تمامًا، إلا أنه صغير جدًا، يبلغ 1/10000 في المائة من كتلة درب التبانة. إذاً لكي نكون دقيقين، إذا أضفنا كتلة كيفن إلى كتلة جميع الثقوب السوداء المعروفة أيضًا بالكتلة النجمية. "mini-Kevins»، نحصل على نسبة 11 / 10000s  وهي نسبة صغيرة جدًا .

اتضح أن هذه النسبة تصمد على نطاق عالمي وهي تقريبًا نفسها بالنسبة لكتلة الكون بأكملها. إذن، 10 على عشرة آلاف من المائة هي إجابة السؤال. بقدر ما نعرف.

إلا إذا كانت المادة المظلمة عبارة عن ثقوب سوداء. تمثل المادة المظلمة أكثر من نصف كتلة الكون. لا يمتص الضوء ولا يتفاعل مع المادة بأي شكل من الأشكال. نحن ندرك وجودها فقط من خلال تأثير الجاذبية.

اتضح أن علماء الفلك يعتقدون أن أحد التفسيرات للمادة المظلمة يمكن أن يكون ثقوبًا سوداء بدائية. يقال إن هذه الثقوب السوداء المجهرية لها كتلة كويكب واحد أو أكثر ويمكن أن تتشكل فقط في ظل ظروف الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة بعد الانفجار العظيم.

التجارب التي تبحث عن الثقوب السوداء البدائية لم تجد أي دليل بعد، ولا يعتقد معظم العلماء أن هذا تفسير قابل للتطبيق. ولكن إذا كان الأمر كذلك، فإن الكون يتكون بالكامل تقريبًا من كابوس الثقوب السوداء المستوحى من الفيزياء.

 

 منظر فني لثقب أسود مشع. الائتمان: ناسا

إن لم يكن الآن، ففي المستقبل البعيد، يمكن أن يكون كل شيء. مع الوقت الكافي، ستلتقط كل تلك الثقوب السوداء النجمية والكتل الفائقة مثل كيفن كل المواد المتوفرة في الكون.

في غضون 10 كوينتيليون سنة، سيكون كل شيء في الكون إما قد سقط في ثقب أسود أو سيتم إلقاؤه في طريق الهروب. وبعد ذلك سوف تتبخر هذه الثقوب السوداء ببطء بمرور الوقت، كما تنبأ ستيفن هوكينغ.

في غضون 10 ^ 66 عامًا، ستتبخر الثقوب السوداء النجمية الأصغر. قد تستغرق الثقوب السوداء الهائلة الأكثر ضخامة 10 ^ 100 عام. وبعد ذلك لن يكون هناك ثقوب سوداء على الإطلاق.

يقترح إثنان من الباحثين أن الثقوب السوداء في مراكز المجرات قد تكون ثقوب دودية:

 

الائتمان: الأشعة السينية: NASA / UMass / D. Wang et al.، IR: NASA / STScI

(توصل زيلونغ لي وكوزيمو بامبي من جامعة فودان في شنغهاي إلى فكرة جديدة جدًا - هذه الثقوب السوداء، التي توجد في مركز العديد من المجرات، يمكن أن تكون بدلاً من ذلك ثقوباً دودية. لقد كتبوا مقالًا، تم تحميله على خادم ما قبل الطباعة في arXiv، يصفون فكرتهم وكيف يمكن إثبات (أو خطأ) ما توصلوا إليه بواسطة أداة جديدة ستتم إضافتها قريبًا إلى مرصد في تشيلي.

في عام 1974، اكتشف علماء الفضاء القوس A * (SgrA ∗) - وهو مصدر ضوئي لموجات الراديو المنبثقة مما بدا بالقرب من مركز مجرة درب التبانة. وفي دراسة لاحقة عن هذا الجسم دفع العلماء إلى الاعتقاد بأنه كان (ولا يزال) ثقبًا أسود - فقد أشار سلوك النجوم القريبة، على سبيل المثال، إلى أنه كان شيئًا هائلًا وكثيف للغاية.

ما يمكننا رؤيته عندما ننظر إلى SgrA هي غازات بلازما بالقرب من أفق الحدث، وليس الكائن نفسه، حيث لا يمكن للضوء الهروب منه. يجب أن يكون هذا صحيحًا أيضًا بالنسبة للثقوب الدودية، بالطبع، التي تم وضع نظرية وجودها أيضًا من خلال نظرية النسبية العامة. حتى أن أينشتاين أشار إلى إمكانية وجودها. لسوء الحظ، لم ينجح أحد على الإطلاق في إثبات وجود الثقوب الدودية، والتي يقال إنها قنوات بين أجزاء مختلفة من الكون، أو حتى بين كونين في نظريات الكون المتعدد، وربما طرق مختصرة بين عدة أكوان. في مقالهما، يقترح لي وبامبي أن هناك أدلة دامغة تشير إلى أن العديد من الأشياء التي نعتقد أنها ثقوب سوداء في مركز المجرات، قد تكون في الواقع ثقوب دودية.

يقترح العالمان أن غازات البلازما التي تدور حول ثقب أسود مقابل ثقب دودي يجب أن تبدو مختلفة بالنسبة لنا، حيث من المتوقع أن تكون الثقوب الدودية أصغر بكثير. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود الثقوب الدودية سيساعد في تفسير سبب امتلاك المجرات الجديدة لما يُعتقد الآن أنه ثقوب سوداء.؟ يمكن لــ  Li و Bambi استنتاج ، بدلاً من ذلك ، إن هذه الأشياء هي في الواقع ثقوب دودية ، والتي تقول النظرية أنه يمكن أن تظهر في لحظة ، وسوف يحدث ذلك بعد الانفجار العظيم.

ستتم إضافة معدات تسمى GRAVITY، سيتم تركيبها قريبًا، إلى مرصد الفضاء الأوروبي في تشيلي، مما يمنح الباحثين رؤية غير مسبوقة لـ SgrA ∗ (والثقوب السوداء الأخرى). في غضون بضع سنوات قصيرة فقط، سيكون من الممكن إثبات ما إذا كانت فكرة لي وبامبي صحيحة أم لا - يجب أن تكون كرة التقاط الفوتون للثقب الدودي أصغر بكثير من تلك الموجودة في الثقب الأسود. - إذا كان الأمر كذلك مع SgrA ومع ذلك، سيحتاج علماء الفضاء إلى إعادة التفكير بجدية في الثقوب الدودية وكيف يمكن أن تتناسب مع النظريات الحالية التي تصف الكون.

ملخص الفرضية:

يمكن أن تكون الثقوب السوداء الهائلة المرشحة في مركز كل مجرة عادية عبارة عن ثقوب دودية نشأت في بدايات الكون وتربط إما منطقتين مختلفتين من كوننا أو كونين مختلفين في نموذج كون متعدد. في الواقع، لم يتم فهم أصل هذه الأجسام الفائقة الكتلة جيدًا، كما أن الهياكل الطوبولوجية غير التافهة مثل الثقوب الدودية مسموح بها في كل من النسبية العامة وفي نظريات الجاذبية البديلة، ولا يمكن للملاحظات الحالية استبعاد مثل هذا الاحتمال. في غضون بضع سنوات، ستتمتع أداة VLTI GRAVITY بالقدرة على تصوير قطرات البلازما التي تدور بالقرب من المدار الدائري المستقر الأعمق لـ SgrA ، مرشح الثقب الأسود الفائق الكتلة في مجرة درب التبانة. تختلف الصورة الثانوية للنقطة الساخنة التي تدور حول ثقب دودي اختلافًا كبيرًا عن تلك الموجودة في النقطة الساخنة حول الثقب الأسود،

 

توضيح فني لرحلة الثقب الدودي. رصيد الصورة: NASA / Les Bossinas (شركة Cortez III Service Corp.)

(PhysOrg.com) - الثقوب الدودية هي واحدة من أغرب الأشياء التي تحدث في النسبية العامة. على الرغم من عدم وجود دليل تجريبي على الثقوب الدودية، إلا أن العلماء يتوقعون أنها تبدو وكأنها تعمل كاختصارات بين نقطة في الزمكان وأخرى. يتخيل العلماء عادةً الثقوب الدودية التي تربط مناطق الفراغ، لكن دراسة جديدة تشير الآن إلى احتمال وجود ثقوب دودية بين النجوم البعيدة. بدلاً من أن تكون أنفاقًا فارغة، ستحتوي هذه الثقوب الدودية على سائل مثالي يتدفق بين النجمين، وربما يمنحهما توقيعًا يمكن اكتشافه.

نشر العلماء، فلاديمير دزونشاليف من الجامعة الوطنية الأوراسية في كازاخستان والمؤلفون المشاركون، بحثهم في إمكانية وجود ثقوب دودية بين النجوم على arXiv.org.

بدأ العلماء في دراسة فكرة الثقوب الدودية بين النجوم عندما بحثوا عن أنواع الأجسام الفيزيائية الفلكية التي يمكن أن تكون بمثابة ثقوب دودية. وفقًا للنماذج السابقة، قد تبدو بعض هذه الأجسام مثل النجوم.

هذه الفكرة قادت العلماء، ومن بينهم العالمة ديما، إلى التساؤل عما إذا كانت اكتشف ما إذا كانت الثقوب الدودية قد توجد في النجوم العادية والنجوم النيوترونية. من بعيد، ستبدو هذه النجوم إلى حد كبير مثل النجوم العادية (والنجوم النيوترونية العادية)، ولكن يمكن أن يكون لها بعض الاختلافات التي يمكن اكتشافها.

لدراسة هذه الاختلافات، طور الباحثون نموذجًا لنجم عادي به نفق في وسط النجم، يمكن للمادة أن تتحرك من خلاله. سيكون للنجمين اللذين يشتركان في ثقب دودي اتصال فريد، حيث أنهما مرتبطان بفم الثقب الدودي. نظرًا لأن المادة الغريبة في الثقب الدودي يمكن أن تتدفق مثل السوائل بين النجوم، فمن المحتمل أن ينبض النجمان بطريقة غير عادية. يمكن أن يؤدي هذا النبض إلى إطلاق أنواع مختلفة من الطاقة، مثل الأشعة الكونية عالية الطاقة.

في الوقت الحالي، يتمثل الجزء الصعب في حساب أنواع التذبذبات التي تحدث بالضبط ونوع الطاقة التي يتم إطلاقها. ستسمح هذه المعلومات للعلماء بالتنبؤ بالشكل الذي قد يبدو عليه النجم الذي يحتوي على ثقب دودي من الأرض والبدء في البحث عن هذه النجوم ذات المظهر الطبيعي.

السفر عبر الزمن؟ ربما

تخيل أنك كاتب خيال علمي بجدول زمني ضيق. كنت ترغب في لعب مساحات شاسعة من الكون، ولكن لديك الكثير من النزاهة العلمية لاستحضار Warp Drive أو DeLorean من فراغ. أنت قلق أيضًا من أن يشعر جمهورك بالملل لآلاف السنين التي قد تستغرقها سفينة الفضاء لتقطع المسافات بين النجوم بشكل واقعي. ما تحتاجه حقًا هو ثقب دودي - اختصار عبر الزمان والمكان. أفضل ما في الأمر، على عكس معظم قصص الخيال العلمي، أن الثقوب الدودية يمكن أن تكون حقيقية جدًا وفرضية علمية رصينة.

قبل خمسة وسبعين عامًا، قدم ألبرت أينشتاين ومساعده ناثان روزين مقالًا إلى مجلة Physical Review بهدف توحيد الجاذبية والكهرومغناطيسية. على الرغم من أنهم فشلوا في الكشف عن نظرية لكل شيء، إلا أنهم فعلوا شيئًا أكثر أهمية: من خلال إنشاء أول نموذج نظري للثقب الدودي، مكّن آينشتاين وروزين كتاب الخيال العلمي - بما في ذلك آرثر سي كلارك ومادلين لانجل والمؤلفون من "Babylon 5" و "Doctor Who" - لاستكشاف مساحات شاسعة من المكان والزمان في غمضة عين.

من الخارج، يشبه جسر أينشتاين-روزن، كما كان يُطلق عليه في الأصل الثقوب الدودية، كثيرًا مثل ابن عمه، الثقب الأسود. وأنا أخاطر بإلغاء شارة الفيزياء الرسمية الخاصة بي إذا لم أخبرك، بشكل مثالي بصوت مخيف، أنه "لا شيء يمكن أن يفلت من الثقب الأسود، ولا حتى الضوء".

قدم آينشتاين وروزين تخمينًا جريئًا للغاية: ماذا لو سقط مسافر في فم شيء يبدو وكأنه ثقب أسود، ولكن بدلاً من سحقه بفعل فرادة أو تفرد في مركز ثقب أسود، ظهر بدلاً من ذلك من فم آخر أو فتحة أخرى من الطرف الآخر للثقب، من المحتمل أن يكون عدة سنوات ضوئية من حيث بدأ؟ إنه ليس جنونًا كما يبدو. تم تأكيد نظرية النسبية العامة لأينشتاين من خلال تجارب لا حصر لها - نموذج العمل الحالي الخاص بنا لكيفية عمل الجاذبية والفضاء -. وكما يبدو، فإن جسر أينشتاين-روزن هو حل صحيح تمامًا لمعادلات النسبية العامة.

والثقوب الدودية هي ليست مجرد اختصار عبر الفضاء. ففي عام 1988، أظهر الفيزيائي كيب ثورنKip Thorne من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا شيئًا آخر: إذا كان بإمكانك بناء ثقب دودي، فيمكنك تحويله إلى آلة زمنية أيضًا. من خلال تحريك أحد أفواه الثقب عبر الفضاء بسرعة قريبة من سرعة الضوء، يمكننا إنشاء نفق ثنائي الاتجاه يربط بين نقطتين في الوقت المناسب. أفضل ما في الأمر، لا داعي للقلق بشأن إفساد القصة. إن آلة الزمن المبنية من قوانين النسبية العامة تتفق بالضرورة مع نفسها، وبالتالي ستبقى قصتك آمنة كما تركتها.

ومع ذلك، كان لمفهوم أينشتاين الأصلي بعض العيوب. من ناحية أخرى، استنتج المنظرون لاحقًا أن عبور جسر أينشتاين - روزن يجب أن يكون تذكرة باتجاه واحد، حيث أن أحد الفم هو دائمًا المدخل والآخر هو المخرج. تم اكتشاف مشكلة أكبر في الثقب الدودي الذي تصوره أينشتاين في عام 1962، عندما أوضح جون أرشيبالد ويلر أن جسر أينشتاين-روزين قد ينهار أو يذوب قبل أن يمر أي شيء، حتى شعاع من الضوء من خلاله.

لحسن الحظ، تحسن تصميم الثقوب الدودية بشكل كبير خلال الـ 75 عامًا الماضية. في عام 1988، عالج ثورن وطلابه مشكلة الثقوب الدودية التي يمكن اجتيازها، ويرجع ذلك في جزء كبير منه إلى نداء من صديقه كارل ساغان، الذي كان يعمل في ذلك الوقت على رواية "الاتصال" التي تحولت إلى فيلم سينمائي رائع بطولة جودي فوستر. اكتشف ثورن أنه من الممكن نظريًا بناء نماذج من الثقوب الدودية، لكنها تتطلب وجود "مادة غريبة" غير معروفة حتى الآن - وهي مادة غريبة تحتوي على كتلة أقل من الصفر - لإبقائها مفتوحة. على عكس جسور أينشتاين-روزن، كان نموذج ثورن ثنائي الاتجاه، والأهم من ذلك أنه مستقر.

قد يبدو الأمر كله بمثابة أخبار جيدة، لكن الطباعة الدقيقة على الثقوب الدودية تكون مخيفة للغاية عندما تخطو إليها. من ناحية، لم نكتشف أبدًا أي شيء مثل المادة الغريبة اللازمة لفتح الثقوب الدودية، ومن ناحية أخرى، لا نعرف كيف يمكننا - أو حتى حضارة خارقة - إحداث ثقب دودي في الكون. في المقام الأول. علاوة على ذلك، فإن فكرة السفر عبر الزمن هي لعنة بالنسبة للعديد من الفيزيائيين المحترمين لدرجة أن البعض، بما في ذلك ستيفن هوكينغ، قد اقترحوا "تخمين حماية الجدول الزمني" واستحالة تغيير أي شيء في الماضي، وأصروا بشكل أساسي على أن الفيزياء يجب أن تحظر بطريقة ما آلات الزمن من أجل الحفاظ على "الكون آمنًا" كما يرويه المؤرخون ". "

يتمتع الفيزيائيون النظريون برفاهية القدرة على ابتكار أشياء غير موجودة أو ربما لا يمكن أن توجد. في ثلاثة أرباع القرن منذ أن تخيل أينشتاين الثقوب الدودية، لم نقترب بأي مكان من أحدها، على الرغم من وجود بعض الخيال العلمي الخيالي فوقها. قد يكون الأمر في الواقع علميًا، إذا أردنا استكشاف المجرة، فسيكون من الأسهل القيام بذلك دون محاولة تمزيق نسيج الزمكان في هذه العملية.

لم تُلاحظ جسور أينشتاين-روزن مثل تلك الموضحة أعلاه في الطبيعة، لكنها توفر للفيزيائيين النظريين وعلماء الكون حلولًا في النسبية العامة من خلال الجمع بين نماذج الثقوب السوداء والثقوب البيضاء.

هل يمكن أن يقع كوننا داخل ثقب دودي يمثل نفسه جزءًا من ثقب أسود موجود في كون أكبر بكثير؟

 

تم اقتراح أحد هذه السيناريوهات التي يولد فيها الكون من داخل ثقب دودي (يسمى أيضًا جسر أينشتاين-روزن) في مقال بقلم عالم الفيزياء النظرية بجامعة إنديانا نيكوديم بوبلاوسكي في رسائل الفيزياء ب. كانت النسخة النهائية من المقال متاحة على الإنترنت في 29 مارس وستنشر في النسخة المطبوعة في 12 أبريل.

يستفيد Poplawski من نظام الإحداثيات الإقليدية المسمى إحداثيات الخواص لوصف مجال الجاذبية للثقب الأسود ولصياغة الحركة الجيوديسية الشعاعية لجسيم ضخم في الثقب الأسود.

من خلال دراسة الحركة الشعاعية عبر أفق الحدث (حدود الثقب الأسود) لنوعين مختلفين من الثقوب السوداء - Schwarzschild و Einstein-Rosen ، آينشتاين-روزين و شوارزشيلد، وكلاهما حلول مشروعة رياضياً للنسبية العامة - يعترف بوبلاوسكي بأن التجربة أو الملاحظة فقط هي التي يمكنها أن تكشف عن حركة جسيم يسقط في ثقب أسود حقيقي. لكنه يشير أيضًا إلى أنه نظرًا لأن المراقبين يمكنهم فقط رؤية الجزء الخارجي من الثقب الأسود، فلا يمكن ملاحظة الجزء الداخلي ما لم يدخل المراقب داخله أو يقيم فيه.

ثم أضاف: "إن هذا الشرط يمكن أن يتحقق إذا كان كوننا داخل ثقب أسود موجود في كون أكبر." "نظرًا لأن نظرية النسبية العامة لأينشتاين لا تختار اتجاهًا زمنيًا، إذا كان الثقب الأسود يمكن أن يتشكل من الانهيار الثقالي للمادة عبر أفق الحدث في المستقبل، فإن العملية العكسية ممكنة أيضًا. مثل هذه العملية تصف ثقبًا أبيض متفجرًا: مادة تخرج من أفق الأحداث في الماضي، مثل الكون المتوسع ".

ثقب أبيض متصل إلى ثقب أسود من خلال جسر أينشتاين-روزن (ثقب دودي) وهو من الناحية الافتراضية انعكاس الزمن للثقب الأسود. يقترح مقال بوبلاوسكي أن جميع الثقوب السوداء الفيزيائية الفلكية، وليس فقط ثقوب شوارزشيلد وأينشتاين-روزن السوداء، قد تحتوي على جسور أينشتاين-روزن، ولكل منها كون جديد بداخله تشكل في وقت واحد مع الثقب الأسود.

وقال "من هذا يترتب على أن كوننا يمكن أن يكون قد تشكل من داخل ثقب أسود موجود داخل كون آخر".

من خلال الاستمرار في دراسة الانهيار التثاقلي لمجال من الغبار في إحداثيات متناحرة، ومن خلال تطبيق البحث الحالي على أنواع أخرى من الثقوب السوداء، يمكن لوجهات النظر حيث نشأ الكون من داخل الثقب الأسود آينشتاين - روزين D 'Einstein-Rosen أن تتجنب المشكلات التي يراها العلماء مع نظرية الانفجار العظيم ومشكلة فقدان معلومات الثقب الأسود التي تدعي أن جميع المعلومات المتعلقة بالمادة تُفقد لأنها تتجاوز أفق الحدث (وهي بدورها تتحدى قوانين فيزياء الكم).

هذا النموذج في إحداثيات الخواص للكون مثل ثقب أسود يمكن أن يفسر أصل التضخم الكوني، حسب نظرية بوبلاوسكي.

Poplawski هو باحث مشارك في قسم الفيزياء في الجامعة. حاصل على درجتي الماجستير والدكتوراه. في الفيزياء من جامعة إنديانا وماجستير في علم الفلك من جامعة وارسو، بولندا.

المراجع:

الثقوب السوداء: السجون الأبدية لا أكثر، مؤتمر لستيفن هوكينغ

مزيد من المعلومات: "الحركة الشعاعية في جسر أينشتاين-روزن"، رسائل الفيزياء ب، بقلم نيكوديم ج. بوبلاوسكي. (المجلد 687، الأعداد 2-3، 12 أبريل 2010، الصفحات 110-113.

مقدمة من جامعة

هل تشكلت الثقوب السوداء مباشرة بعد الانفجار العظيم؟

مزيد من المعلومات: استكشاف الكون PBH-ΛCDM مع انزياح أحمر قوي: البذر المبكر للثقوب السوداء والنجوم الأولى وخلفيات الإشعاع الكوني، arXiv: 2109.08701 [astro-ph.CO] arxiv.org/ abs / 2109.08701

معلومات المجلة: مجلة الفيزياء الفلكية

مقدمة من جامعة ييل

يقترح علماء الكون طريقة جديدة لتكوين ثقوب سوداء بدائية

بقلم إريك أرندس، معهد ليدن للفيزياء

هل المادة المظلمة مكونة من ثقوب سوداء بدائية؟

مزيد من المعلومات: Yi-Fu Cai وXi Tong وDong-Gang Wang وSheng-Feng Yan، "الثقوب السوداء الأولية لرنين سرعة الصوت أثناء التضخم،" فيز. القس ليت. 121، 081306، journal.aps.org/prl/abstract/… ysRevLett.121.081306

معلومات المجلة: رسائل المراجعة الفيزيائية

مقدمة من معهد ليدن للفيزياء

نظرة جديدة لطبيعة المادة المظلمة

مزيد من المعلومات: Qirong Zhu et al. الثقوب السوداء البدائية كمادة مظلمة: قيود الأقزام المدمجة شديدة الانخفاض، الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية (2018). DOI: 10.1093 / mnras / sty079

معلومات المجلة: إشعارات شهرية من الجمعية الفلكية الملكية

مقدمة من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية

هل تنشأ موجات الجاذبية ليجو من الثقوب السوداء البدائية؟

مزيد من المعلومات: E.Mediavilla وآخرون ، حدود الكتلة ووفرة الثقوب السوداء البدائية من Quasar Gravitational Microlensing ، مجلة الفيزياء الفلكية (2017). DOI: 10.3847 / 2041-8213 / aa5dab

معلومات المجلة: مجلة الفيزياء الفلكية

مقدمة من معهد الفضاء الفلكي في جزر الكناري (IAC)

تعطي المجرات القزمية أدلة على أصل الثقوب السوداء الهائلة

المصدر: الكون اليوم

بواسطة بوب ييركا، Phys.org

يقترح الفيزيائي أن أنواعًا معينة من الثقوب الدودية يمكن أن تظل مفتوحة لفترة كافية لإرسال فوتون عبرها

مزيد من المعلومات: التمييز بين الثقوب السوداء والثقوب الدودية ذات النقاط الساخنة المدارية، arXiv: 1405.1883 [gr-qc] arxiv.org/abs/1405.1883

معلومات المجلة: arXiv

© 2014 Phys.org

يدرس العلماء الثقوب الدودية المحتملة بين النجوم

بواسطة ليزا زيجا، Phys.org

كوننا في المنزل في كون أكبر؟ لذا اقترح بحثًا عن الثقوب الدودية

 (ج) 2010، مرات لوس انجليس.

وزعت من قبل McClatchy-Tribune Information Services

عن الكاتب

ديف غولدبرغ هو مؤلف مع جيف بلومكويست، "دليل المستخدم إلى الكون: النجاة من مخاطر الثقوب السوداء، ومفارقات الزمن، وعدم اليقين الكمومي". وهو أستاذ مشارك في الفيزياء بجامعة دريكسيل. كتب هذا لصحيفة لوس أنجلوس تايمز.

كوننا المرئي في كون أكبر؟ لذا اقترح بحثًا عن الثقوب الدودية:

من جامعة إنديانا

الثقوب السوداء: السجون الأبدية لا أكثر، مؤتمر لستيفن هوكينج

مزيد من المعلومات: "الحركة الشعاعية في جسر أينشتاين-روزن"، رسائل الفيزياء ب، بقلم نيكوديم ج. بوبلاوسكي. (المجلد 687، الأعداد 2-3، 12 أبريل 2010، الصفحات 110-113.

مقدمة من جامعة إنديانا

مزيد من المعلومات: Vladimir Dzhunushaliev، et al. "نجم مع ثقب دودي في وسطه." arXiv: 1102.4454v1 [astro-ph.GA]

© 2010 PhysOrg.com