هل المادة المظلمة مصنوعة من الثقوب السوداء؟

مفهوم الفنان عن الثقوب السوداء البدائية ، عبر وكالة ناسا.

مفهوم الفنان للثقوب السوداء البدائية ، عبرناسا.

يعتقد علماء الفلك المعاصرون أن جزءًا كبيرًا من كوننا موجود في شكل مادة مظلمة. مثل كل المادة ، يبدو أن المادة المظلمة تمارس قوة الجاذبية ، لكن لا يمكن رؤيتها. إذا كان موجودًا ، فإنه لا يصدر أي ضوء أو أي شكل آخر من أشكال الإشعاع اكتشفه العلماء. فضل العلماء استخدام النماذج النظريةجزيئات ضخمة غريبةلشرح المادة المظلمة ، ولكن حتى الآن لا يوجد دليل رصد على أن هذا هو الحال. في 24 مايو 2016 ، أعلنت وكالة ناسا عن دراسة جديدة تعزز فكرة فرضية بديلة: المادة المظلمة قد تتكون من الثقوب السوداء.

ألكسندر كاشلينسكي ، عالم الفيزياء الفلكية في ناسا جودارد ، قاد الدراسة الجديدة ، والتيهو قاليكون:

... محاولة لتجميع مجموعة واسعة من الأفكار والملاحظات لاختبار مدى ملاءمتها ، ومدى ملاءمتها بشكل مدهش. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن جميع المجرات ، بما في ذلك مجرتنا ، مغروسة في مجال واسع من الثقوب السوداء ، كل منها حوالي 30 ضعف كتلة الشمس.

توجد عدة طرق لتكوين الثقوب السوداء ، لكنها تنطوي جميعها على كثافة عالية من المادة. تسمى الثقوب السوداء في دراسة كاشلينسكيالثقوب الخلفية البدائية، يُعتقد أنها تشكلت في الجزء الأول من الثانية بعد الانفجار العظيم ، عندما كانت الضغوط ودرجات الحرارة مرتفعة للغاية. خلال هذا الوقت ، ربما تكون التقلبات الصغيرة في كثافة المادة قد أحدثت ثقوبًا سوداء في الكون المبكر ، وإذا كان الأمر كذلك ، مع توسع الكون ، فإن تلك الثقوب السوداء البدائية كانت ستظل مستقرة ، موجودة حتى عصرنا.

في ورقته البحثية الجديدة ، يشير كاشلينسكي إلى سطرين أساسيين من الأدلة على أن هذه الثقوب السوداء يمكن أن تفسر المادة المظلمة المفقودة التي يُعتقد أنها تنتشر في عالمنا. لهبيانيوضح أن هذه الفكرة:

... يتماشى مع معرفتنا بالأشعة تحت الحمراء الكونية وتوهجات الخلفية للأشعة السينية وقد يفسر الكتل الكبيرة غير المتوقعة للثقوب السوداء المندمجة التي تم اكتشافها العام الماضي [بواسطة LIGO].



إلى اليسار: تُظهر هذه الصورة من تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا مشهدًا بالأشعة تحت الحمراء لمنطقة السماء في كوكبة الدب الأكبر. على اليمين: بعد إخفاء جميع النجوم والمجرات والتحف المعروفة وتحسين ما تبقى ، يظهر توهج غير منتظم للخلفية. هذه هي الخلفية الكونية للأشعة تحت الحمراء (CIB) ؛ تشير الألوان الفاتحة إلى مناطق أكثر إشراقًا. الصورة عبر NASA / JPL-Caltech / A. كاشلينسكي (جودارد)

إلى اليسار: تُظهر هذه الصورة من تلسكوب Spitzer Space Telescope التابع لناسا مشهدًا بالأشعة تحت الحمراء لمنطقة السماء في كوكبة Ursa Major. على اليمين: بعد إخفاء جميع النجوم والمجرات والتحف المعروفة وتعزيز ما تبقى ، يظهر توهج غير منتظم للخلفية. هذه هي الخلفية الكونية للأشعة تحت الحمراء (CIB) ؛ تشير الألوان الفاتحة إلى مناطق أكثر إشراقًا. صورة عبرناسا / مختبر الدفع النفاث- معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا / أ. كاشلينسكي (جودارد)

السطر الأول من الأدلة هوالبقع المفرطةفي توهج الخلفية المرصود لضوء الأشعة تحت الحمراء.

في عام 2005 ، قاد كاشلينسكي فريقًا من علماء الفلك باستخدام وكالة ناساتلسكوب سبيتزر الفضائيلاستكشاف توهج الخلفية بالأشعة تحت الحمراء في جزء واحد من السماء. خلص فريقه إلى أن الترقع الملحوظ كان على الأرجح ناتجًا عن الضوء الكلي للمصادر الأولى لإضاءة الكون منذ أكثر من 13 مليار سنة. ثم يصبح السؤال ... ما هي هذه المصادر الأولى؟ هل كانت الثقوب السوداء البدائية بينهم؟

دراسات متابعةتم تأكيدأن هذه الخلفية الكونية بالأشعة تحت الحمراء (CIB) أظهرت بقعًا غير متوقعة مماثلة في أجزاء أخرى من السماء. ثم في عام 2013 ، قارنت دراسة كيف أنخلفية الأشعة السينية الكونيةمقارنة بخلفية الأشعة تحت الحمراء في نفس المنطقة من السماء. جاء في بيان كاشلينكسي:

… التوهج غير المنتظم للأشعة السينية منخفضة الطاقة في [خلفية الأشعة السينية الكونية] يطابق رقعة [خلفية الأشعة تحت الحمراء] بشكل جيد. الشيء الوحيد الذي نعرفه والذي يمكن أن يكون مضيئًا بشكل كافٍ عبر هذا النطاق الواسع للطاقة هو الثقب الأسود.

خلصت دراسة 2013 إلى أن الثقوب السوداء البدائية يجب أن تكون وفيرة بين أقدم النجوم ، حيث شكلت على الأقل واحدًا من كل خمسة من المصادر التي تساهم في الخلفية الكونية للأشعة تحت الحمراء.

انتقل الآن إلى 14 سبتمبر 2015 ، وسطر كاشلينسكي الثاني من الأدلة على أن الثقوب السوداء البدائية تشكل المادة المظلمة. هذا التاريخ - الذي تم تحديده الآن في تاريخ العلم - هو عندما قام العلماء في مرافق مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) في هانفورد ، واشنطن ، وليفينجستون ، لويزيانا بعمل أول تجربة مثيرة للغاية على الإطلاق.الكشف عن موجات الجاذبية. يُعتقد أن زوجًا من الثقوب السوداء المندمجة على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية قد أنتجا الموجات التي اكتشفها ليجو في 14 سبتمبر الماضي. الموجات عبارة عن تموجات في نسيج الزمكان ، تتحرك بسرعة الضوء.

بالإضافة إلى كونه أول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية ، وبافتراض أن حدث LIGO قد تم تفسيره بشكل صحيح ، فإن هذا الحدث يمثل أيضًا أول اكتشاف مباشر للثقوب السوداء. على هذا النحو ، فقد قدم للعلماء معلومات حول كتل الثقوب السوداء الفردية ، والتي كانت تبلغ 29 و 36 ضعف كتلة الشمس ، زائد أو ناقص حوالي أربع كتل شمسية.

أشار كاشلينسكي في دراسته الجديدة إلى أنه يُعتقد أن هذه هي الكتلة التقريبية للثقوب السوداء البدائية. في الواقع ، يقترح أن ما قد اكتشفه LIGO كان اندماجًا للثقوب السوداء البدائية.

قد تكون الثقوب السوداء البدائية ، إن وجدت ، مشابهة للثقوب السوداء المندمجة التي اكتشفها فريق LIGO في عام 2015. تُظهر محاكاة الكمبيوتر هذه بالحركة البطيئة ما كان سيبدو عليه هذا الاندماج عن قرب. الحلقة حول الثقوب السوداء ، والتي تسمى حلقة أينشتاين ، تنشأ من جميع النجوم في منطقة صغيرة مباشرة خلف الثقوب التي يتشوه ضوءها بسبب عدسة الجاذبية. لا تظهر موجات الجاذبية التي اكتشفها LIGO في هذا الفيديو ، على الرغم من إمكانية رؤية آثارها في حلقة أينشتاين. موجات الجاذبية التي تنتقل خلف الثقوب السوداء تزعج الصور النجمية التي تتكون منها حلقة أينشتاين ، مما يجعلها تتدحرج في الحلقة حتى بعد فترة طويلة من اكتمال الاندماج. تتسبب موجات الجاذبية التي تنتقل في اتجاهات أخرى في انحسار أضعف وأقصر عمراً في كل مكان خارج حلقة أينشتاين. إذا تم عرض الفيلم في الوقت الفعلي ، فسيستمر حوالي ثلث الثانية. الصورة عبر SXS Lensing.

في ورقته البحثية الجديدة التي نُشرت في 24 مايو 2016 فيرسائل مجلة الفيزياء الفلكية، يحلل كاشلينسكي ما يمكن أن يحدث إذا كانت المادة المظلمة تتكون من مجموعة من الثقوب السوداء مماثلة لتلك التي اكتشفها ليجو. وختم بيانه:

تشوه الثقوب السوداء توزيع الكتلة في الكون المبكر ، مضيفةً تقلبًا صغيرًا له عواقب بعد مئات الملايين من السنين ، عندما تبدأ النجوم الأولى في التكون.

خلال الجزء الأكبر من أول 500 مليون سنة من عمر الكون ، ظلت المادة الطبيعية شديدة الحرارة بحيث لا يمكن دمجها في النجوم الأولى. لم تتأثر المادة المظلمة بارتفاع درجة الحرارة لأنها ، مهما كانت طبيعتها ، تتفاعل في المقام الأول من خلال الجاذبية. بالتجمع عن طريق التجاذب المتبادل ، انهارت المادة المظلمة أولاً إلى كتل تسمى minihaloes ، والتي وفرت بذرة جاذبية تمكن المادة العادية من التراكم. انهار الغاز الساخن نحو الهالات الصغيرة ، مما أدى إلى وجود جيوب من الغاز كثيفة بدرجة كافية لمزيد من الانهيار من تلقاء نفسها في النجوم الأولى. يوضح [فريقنا] أنه إذا لعبت الثقوب السوداء دور المادة المظلمة ، فإن هذه العملية تحدث بسرعة أكبر وتنتج بسهولة تكتل [خلفية الأشعة تحت الحمراء] المكتشفة في بيانات سبيتزر حتى لو تمكن جزء صغير فقط من الهالويات الصغيرة من إنتاج النجوم.

عندما يسقط الغاز الكوني في الهالات الصغيرة ، فإن الثقوب السوداء المكونة لها ستلتقط بعضًا منه بشكل طبيعي أيضًا. تسخن المادة التي تسقط باتجاه الثقب الأسود وتنتج أشعة سينية في النهاية. يمكن لضوء الأشعة تحت الحمراء من النجوم الأولى والأشعة السينية المنبعثة من الغاز المتساقط في المادة المظلمة أن يفسر الاتفاق الملحوظ بين ترقق [خلفية الأشعة تحت الحمراء] و [خلفية الأشعة السينية الكونية].

من حين لآخر ، تمر بعض الثقوب السوداء البدائية بالقرب من بعضها بدرجة كافية ليتم التقاطها جاذبيًا في أنظمة ثنائية. سوف تنبعث الثقوب السوداء في كل من هذه الثنائيات ، على مدى دهور ، من إشعاع الجاذبية ، وتفقد الطاقة المدارية وتتحول إلى الداخل ، وتندمج في النهاية في ثقب أسود أكبر مثل الحدث الذي لاحظه LIGO.

اقرأ المزيد عن دراسة كاشلينسكي الجديدة من وكالة ناسا

هل تستمتع بـ ForVM؟ اشترك في النشرة الإخبارية اليومية المجانية اليوم!

خلاصة القول: في 24 مايو 2016 ، أعلنت وكالة ناسا عن دراسة جديدة قام بها ألكسندر كاشلينسكي ، عالم الفيزياء الفلكية في ناسا جودارد ، عززت فكرة أن المادة المظلمة تتكون من الثقوب السوداء.