تلسکوپ روم نانسی گریس ناسا به دنبال سیاهچاله های کوچک به جا مانده از انفجار بزرگ خواهد بود.
به گزارش مجله نجم
هفته سیاه چاله در حال گسترش است و ناسا برای جشن گرفتن نشان داده است که چگونه ابزار نجومی بزرگ بعدی خود، تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس، سیاهچاله های جوانی را که قدمت آنها به بیگ بنگ باز می گردد، جستجو می کند.
وقتی به آن فکر می کنیم سیاهچاله ها ما تمایل داریم هیولاهای کیهانی عظیم را به عنوان سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای تصور کنیم که ده ها تا صدها برابر خورشید جرم دارند. همچنین ممکن است سیاهچالههای بسیار پرجرم را تصور کنیم که میلیونها (یا حتی میلیاردها) برابر خورشید جرم دارند که در قلب کهکشانها ساکن هستند و بر اطرافشان تسلط دارند.
با این حال، دانشمندان این نظریه را مطرح میکنند که جهان میتواند توسط سیاهچالههای بسیار کمجرم و نسبتاً پر با جرمی نزدیک به جرم زمین ساکن شود. جرم این سیاهچاله ها احتمالاً به اندازه یک سیارک بزرگ کم است. دانشمندان همچنین اشاره می کنند که چنین سیاهچاله هایی از سپیده دم یعنی حدود 13.8 میلیارد سال پیش وجود داشته اند.
این سیاهچالهها که «سیاهچالههای اولیه» نامیده میشوند، کاملاً تئوری باقی ماندهاند، اما رومن، که قرار است در اواخر سال ۲۰۲۶ پرتاب شود، میتواند آن را تغییر دهد.
مرتبط: سیاهچاله های ریز به جای مانده از انفجار بزرگ ممکن است مظنون اصلی ماده تاریک باشند
ویلیام دی روکو، محقق فوق دکترا در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز، می گوید: «کشف جمعیتی از سیاهچاله های اولیه به جرم زمین، گامی شگفت انگیز برای نجوم و فیزیک ذرات خواهد بود، زیرا این اجرام نمی توانند با هیچ فرآیند فیزیکی شناخته شده ای شکل گرفته باشند. این مرد که رهبری تیمی را بر عهده داشت که چگونه رومن توانست این سیاهچاله های کوچک و باستانی را شناسایی کند، در بیانیه ای گفت: “اگر آنها را پیدا کنیم، زمینه فیزیک نظری را متزلزل خواهد کرد.”
وقتی نوبت به افق رویداد می رسد، توده اهمیت دارد
کوچکترین سیاهچاله هایی که تا به حال وجود دارند، سیاهچاله هایی با جرم ستاره ای هستند که وقتی سوخت هسته ستارگان عظیم برای همجوشی هسته ای تمام می شود، ایجاد می شوند. هنگامی که این همجوشی متوقف می شود، این ستارگان تحت گرانش خود فرو می ریزند. به طور معمول، حداقل جرمی که یک ستاره برای ترک سیاهچاله ای با جرم ستاره ای نیاز دارد، هشت برابر جرم خورشید است، هر جرم سبک تر، و ستاره به عنوان یک ستاره نوترونی یا کوتوله سفید فروزان به زندگی خود پایان می دهد.
با این حال، شرایط جهان در آغاز آن بسیار متفاوت از شرایط دوران مدرن بود. زمانی که جهان در حالت داغ، متراکم و متلاطم قرار داشت، ممکن است به تودههای بسیار کوچکتری از ماده اجازه فروپاشی و ایجاد سیاهچالهها داده باشد.
همه سیاهچاله ها در یک مرز بیرونی به نام افق رویداد “شروع” می کنند، نقطه ای که نور فراتر از آن نمی تواند از اثرات گرانش آنها بگریزد. فاصله بین افق رویداد و تکینگی مرکزی سیاهچاله، نقطه چگالی نامتناهی که در آن همه قوانین فیزیک شکسته می شوند، توسط جرم سیاهچاله تعیین می شود.
این بدان معناست که در حالی که افق رویداد سیاهچاله بسیار پرجرم M87*، که جرمی حدود 2.4 میلیارد برابر جرم خورشید دارد، حدود 15.4 میلیارد مایل (24.8 میلیارد کیلومتر) قطر دارد، یک سیاهچاله با جرم ستارهای با جرم 30 خورشید افق رویدادی به وسعت حدود 110 مایل (177 کیلومتر) خواهد داشت. از سوی دیگر، یک سیاهچاله اولیه با جرم زمین افق رویدادی وسیعتر از یک سکه نخواهد داشت. یک سیاهچاله اولیه با جرم یک سیارک افق رویدادی به اندازه آن خواهد داشت. کوچکتر از یک پروتون
دانشمندانی که از مفهوم سیاهچالههای اولیه حمایت میکنند معتقدند که این سیاهچالهها زمانی متولد شدهاند که جهان تورم اولیه را پشت سر میگذارد که ما آن را انفجار بزرگ مینامیم. از آنجایی که جهان سریعتر از نور شتاب می گیرد (این امکان پذیر است، زیرا اگرچه هیچ چیز نمی تواند سریعتر از نور در فضا حرکت کند، خود فضا می تواند)، دانشمندان پیشنهاد می کنند که مناطق چگال تر از محیط اطرافشان می توانند برای تولد سیاهچاله ها فرو بریزند.
با این حال، به دلیل استیون هاوکینگ، بسیاری از محققان از مفهوم سیاهچاله های اولیه موجود در جهان فعلی پشتیبانی نمی کنند.
آیا سیاهچاله ها می میرند؟
یکی از انقلابیترین نظریههای استیون هاوکینگ نشان میدهد که حتی سیاهچالهها نمیتوانند برای همیشه دوام بیاورند. این فیزیکدان بزرگ معتقد بود که سیاهچاله ها نوعی تابش حرارتی را «نشت» می کنند، مفهومی که بعدها به افتخار او «تابش هاوکینگ» نام گرفت.
هنگامی که سیاهچاله ها تابش هاوکینگ را نشت می کنند، جرم خود را از دست می دهند و در نهایت منفجر می شوند. هر چه جرم سیاهچاله کوچکتر باشد، تشعشعات هاوکینگ سریعتر فرار می کند. این به این معنی است که برای سیاهچاله های کلان جرم، این فرآیند بیشتر از سن جهان طول می کشد. اما سیاهچاله های کوچک بسیار سریعتر فرار می کنند و بنابراین باید سریعتر بمیرند.
از این رو، توضیح اینکه چگونه سیاهچاله های اولیه می توانند برای 13.8 میلیارد سال بدون “ناپدید شدن” وجود داشته باشند، دشوار است. اگر رومیها این فسیلهای کیهانی را کشف کنند، بازنگری اساسی در بسیاری از اصول فیزیک خواهد بود.
کایلاش ساهو، ستاره شناس موسسه علمی تلسکوپ فضایی در بالتیمور که در این مطالعه شرکت نداشت، در این بیانیه گفت: “این همه چیز از شکل گیری کهکشان ها گرفته تا محتوای ماده تاریک جهان تا تاریخ کیهانی را تحت تاثیر قرار خواهد داد.” “تأیید هویت آنها کار سختی خواهد بود و ستاره شناسان به قانع کننده های زیادی نیاز دارند، اما ارزشش را دارد.”
تشخیص سیاهچاله های اولیه نیز آسان نخواهد بود. مانند هر سیاهچاله، این حفره ها توسط افق رویداد محدود می شوند و نه نور ساطع می کنند و نه بازتاب می کنند. این بدان معنی است که تنها راه برای تشخیص آنها استفاده از اصل توسعه یافته توسط آلبرت انیشتین در نظریه گرانش خود در سال 1915 است که به عنوان نسبیت عام شناخته می شود.
همکاری با انیشتین
نسبیت عام پیشبینی میکند که همه اجرام با جرم باعث ایجاد انحنا در بافت فضا و زمان میشوند و به عنوان یک موجود چهار بعدی به نام «فضا-زمان» متحد میشوند. هنگامی که نور منبع پس زمینه از پیچش عبور می کند، مسیر آن منحنی است. هر چه نور به جسم عدسی نزدیکتر باشد، مسیر آن منحنی تر است. این بدان معنی است که نور یک جسم می تواند در زمان های مختلف به تلسکوپ برسد. به این عدسی گرانشی می گویند.
هنگامی که جسم لنز بسیار عظیم است، مانند یک کهکشان، منبع پسزمینه میتواند از فوکوس خارج شود یا حتی در چندین مکان در یک تصویر ظاهر شود. اگر جرم عدسی کوچکتر باشد، مانند یک سیاهچاله اولیه، اثر عدسی کوچکتر است، اما میتواند باعث تشخیص روشنایی منابع پسزمینه شود. این اثری است به نام میکرولنزینگ.
در حال حاضر، میکرولنزینگ به طور گسترده ای برای شناسایی سیارات سرکش، یا جهان هایی که در راه شیری بدون ستاره مادر خود در حال حرکت هستند، استفاده می شود. این امر جمعیت زیادی از موجودات سرکش را نشان داده است که تقریباً معادل جرم زمین است – بیشتر در تئوری. در واقع مدل ها پیش بینی می کنند. با این الگو، دانشمندان انتظار دارند رومی ها اکتشافات خود از کلاهبرداران جرم زمین را ده برابر افزایش دهند.
فراوانی این اجرام منجر به این گمانهزنی شده است که برخی از این اجرام با جرم زمین میتوانند در واقع سیاهچالههای اولیه باشند. دیروکو گفت: “هیچ راهی برای تمایز بین سیاهچاله های جرم زمین و سیارات سرکش به صورت موردی وجود ندارد.” رومن در تمایز بین این دو از نظر آماری بسیار قوی است.
ساهو گفت: «این یک مثال هیجانانگیز از کاری است که دانشمندان بیشتر میتوانند با دادههایی که رومن در طول جستوجوی سیارهای خود خواهد داشت، انجام دهند». نتایج جالب است که آیا دانشمندان شواهدی از سیاهچالههای جرمی زمین پیدا میکنند یا نه، این امر درک ما از جهان را در هر صورت افزایش میدهد.
تحقیقات این تیم در ژانویه در مجله Physical Review D منتشر شد.