نظریه‌ای عجیب به نام ریزسیاه‌چاله‌ها

به گزارش ایسنا، سیاه‌چاله‌های اولیه کوچک(PBHs) یکی از موضوعات داغ در نجوم و کیهان شناسی امروزی هستند. اعتقاد بر این است که این سیاه‌چاله‌های فرضی بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند که ناشی از حفره‌هایی از ماده زیراتمی آنقدر متراکم هستند که دچار فروپاشی گرانشی شده‌اند.

در حال حاضر، سیاه‌چاله‌های اولیه کوچک کاندیدای ماده تاریک، منبع احتمالی امواج گرانشی اولیه و حل مسائل مختلف در فیزیک هستند. با این حال، هیچ نامزد قطعی از آنها تاکنون مشاهده نشده است که منجر به پیشنهاداتی برای چگونگی پیدا کردن این سیاه‌چاله‌های مینیاتوری شده است.

تحقیقات اخیر نشان داده است که ستاره‌های نوترونی و کوتوله ممکن است حاوی سیاه‌چاله‌های اولیه کوچکی داخل خود باشند که به آرامی گاز آنها را مصرف می‌کنند.

در یک مطالعه جدید، گروهی از فیزیکدانان این ایده را گسترش دادند تا راه جدیدی برای شناسایی بالقوه سیاه‌چاله‌های اولیه کوچک در بر گیرد. اساساً ما می‌توانیم داخل اجسامی مانند سیارات و سیارک‌ها جستجو کنیم یا از صفحات فلزی بزرگ برای شناسایی آنها به دنبال نشانه‌هایی از عبور آنها استفاده کنیم.

با شناسایی ریزکانال‌هایی که این اجرام از خود باقی می‌گذارند، دانشمندان سرانجام می‌توانند وجود سیاه‌چاله‌های اولیه کوچک را تایید کنند و برخی از بزرگترین اسرار کیهان شناسی امروز را روشن کنند.

این پژوهش توسط دی‌چانگ دای(De-Chang Dai) فیزیکدان دانشگاه ملی دونگ‌هوا(Dong Hwa) در تایوان و مرکز آموزش و تحقیقات کیهان شناسی و اخترفیزیک(CERCA) در دانشگاه کیس وسترن رزرو(Case Western Reserve) و دژان استویکوویچ(Dejan Stojkovic) فیزیکدان گروه کیهان شناسی در دانشگاه ایالتی نیویورک بوفالو انجام شده است.

مقاله‌ای که جزئیات یافته‌های آنها را نشان می‌دهد نیز به تازگی به صورت آنلاین منتشر شده و برای انتشار در مجله Physics of the Dark Universe در حال بررسی است.

از زمانی که دانشمندان روسی به نام ایگور دی نوویکوف(Igor D. Novikov) و یاکوف زلدوویچ(Yakov Zeldovich) در سال 1966 وجود آنها را پیش‌بینی کردند، جامعه علم نجوم دهه‌هاست که مجذوب ریزسیاه‌چاله‌های اولیه شده است. آنها همچنین منبع علاقه استیون هاوکینگ فقید بودند که کارش روی ریزسیاه‌چاله‌های اولیه منجر به کشف موفقیت آمیز او در سال 1974 مبنی بر این شد که سیاه‌چاله‌ها می‌توانند با گذشت زمان تبخیر شوند.

در حالی که تبخیر سیاه‌چاله‌های بزرگتر و متوسط نسبت به سن کنونی کیهان(حدود 13.8 میلیارد سال) بیشتر طول می‌کشد، اما ریزسیاه‌چاله‌های اولیه کوچک‌تر ممکن است قبلاً یا هم اکنون در حال انجام این کار باشند.

با این حال، علاقه به ریزسیاه‌چاله‌های اولیه در سال‌های اخیر بیشتر شده است، چرا که آنها به عنوان کاندید ماده تاریک، منبع امواج گرانشی اولیه(GWs) و غیره هستند. مانند ماده تاریک، وجود آنها می‌تواند به حل برخی از اسرار بزرگ کیهان‌شناسی کمک کند، اما هنوز هیچ مشاهدات تایید شده‌ای از آنها انجام نشده است.

همانطور که دی‌چانگ و استویکوویچ می‌گویند، این چیزی است که آنها را برانگیخت تا روش‌های تشخیص جدید را پیشنهاد کنند.

آنها می‌گویند: اگر یک سیارک یا یک قمر یا یک سیاره کوچک دارای یک هسته مایع باشد که توسط یک پوسته جامد احاطه شده است، یک ریزسیاه‌چاله نخستین، هسته مایع متراکم آن را نسبتاً سریع(در عرض چند هفته تا چند ماه) مصرف می‌کند. ضمن اینکه اگر ماده به اندازه کافی قوی باشد که فشار و تنش گرانشی را تحمل کند، پوسته دست نخورده باقی می‌ماند. بنابراین ما با یک ساختار توخالی روبرو خواهیم شد. اگر سیاه‌چاله مرکزی به دلیل برخورد با اجرام دیگر به بیرون پرتاب شود، چگالی آن کمتر از چگالی معمول یک جرم سنگی با هسته مایع خواهد بود.

علاوه بر این، دی‌چانگ و استویکوویچ تنش گرانشی ریزسیاه‌چاله‌های اولیه را محاسبه کردند. آنها سپس این را با مقاومت فشاری موادی که پوسته سیاره را تشکیل می‌دهند مانند کانی‌های سیلیکات(سنگ)، آهن و سایر عناصر مقایسه کردند. آنها همچنین قوی‌ترین مواد ساخته شده مانند نانولوله‌های کربنی چند جداره را در نظر گرفتند.

استویکوویچ گفت: برای مثال، ما دریافتیم که گرانیت می‌تواند ساختارهای توخالی را تا شعاع یک دهم شعاع زمین پشتیبانی کند. به همین دلیل است که ما باید روی سیاره‌های کوچک، قمرها یا سیارک‌ها تمرکز کنیم.

این محاسبات، ابزاری برای جستجوی شواهدی از ریزسیاه‌چاله‌های اولیه در فضا و اینجا روی زمین ارائه می‌دهد. سیاره‌های کوچک، قمرها یا سیارک‌های کاندید احتمالی را می‌توان با مشاهده جرم و شعاع آنها در منظومه شمسی شناسایی کرد تا تخمینی از چگالی آنها ارائه شود.

این امر به اخترشناسان اجازه می‌دهد تا اجرام توخالی بالقوه را برای مطالعات بعدی توسط کاوشگرها، فرودگرها و دیگر مأموریت‌های فضایی رباتیک شناسایی کنند. از طرف دیگر، آنها توصیه می‌کنند که حسگرهایی ساخته شوند تا ریزسیاه‌چاله‌ها را با تشخیص عبور آنها جستجو کنند.

استویکوویچ می‌گوید: اگر یک ریزسیاه‌چاله کوچک از مقداری ماده جامد عبور کند، یک تونل طولانی مستقیم به اندازه شعاع خود باقی می‌گذارد. برای مثال، یک ریزسیاه‌چاله 1023 گرمی باید از تونلی با شعاع 0.1 میکرون خارج شود. انرژی‌های چنین ریزسیاه‌چاله‌ای می‌تواند قابل توجه باشد، اما آن انرژی‌هایی که آنها به مواد می‌سپارند، بسیار کم است. در واقع چنین ریزسیاه‌چاله‌ای حتی می‌تواند از بدن انسان عبور کند و ما حتی متوجه نمی‌شویم.

در این راستا، دانشمندان می‌توانند تونل‌های کوچک را در مواد معمولی که در اطراف آن قرار دارند، مانند شیشه یا سنگ بررسی کنند. در عین حال به گفته دی‌چانگ و استویکوویچ، صفحات بزرگی از فلز صیقلی را می‌توان برای این منظور تهیه کرد و مشابه با تشخیص نوترینو، این صفحات باید جداسازی شوند تا هرگونه تغییر ناگهانی در خواص آنها ثبت شود.

استویکوویچ می‌گوید: شار مورد انتظار از این ریزسیاه‌چاله‌ها بسیار اندک است و ممکن است در نهایت چیزی پیدا نکنیم، اما نتیجه احتمالی یافتن آنها بسیار زیاد خواهد بود، به خصوص که چنین آزمایش‌هایی بسیار ارزان خواهند بود.

دی‌چانگ نیز گفت: در سال‌های اخیر پیشنهاد شده است که برخی از سیاه‌چاله‌های اولیه ممکن است در ستارگان پنهان باشند. یک بار استیون هاوکینگ این ایده را مطرح کرد که اساس دو مطالعه شد و یکی در سال 2019 و دیگری در سال گذشته منتشر شد.

وی افزود: همچنین پیشنهاد شده است که سیاه‌چاله‌های اولیه ممکن است پرتوهای گاما ساطع کنند. پرتوهای گامای قوی در هاله ماده تاریک راه شیری می‌تواند نشانه خوبی برای وجود سیاه‌چاله‌های اولیه باشد. روش میکرولنزینگ گرانشی نیز می‌تواند راه دیگری برای شناسایی سیاه‌چاله‌های اولیه باشد.