Primordial Black Holes are 5D

في اللحظات الأولى للكون، قبل اشتعال النجوم أو تشكل المجرات، كان الكون عبارة عن حساء كثيف وهائج من الطاقة. لطالما اشتبه الفيزيائيون في أن تقلبات ضئيلة في هذه النار البدائية ربما انهارت تحت تأثير جاذبيتها الخاصة لتشكل أولى الثقوب السوداء، المعروفة باسم الثقما السوداء البدائية. وتعد هذه الأجسام العتيقة مرشحات مقنعة للمادة المظلمة، تلك المادة غير المرئية التي تمسك بالمجرات معاً. لعقود من الزمن، صوّر العلماء هذه الثقوب السوداء ككيانات رباعية الأبعاد، توجد ضمن الأبعاد الثلاثة للمكان والبعد الواحد للزمن الذي نختبره يومياً. ومع ذلك، يشير متن متزايد من العمل النظري إلى أن كوننا قد يمتلك في الواقع أبعاداً إضافية خفية، هي أصغر من أن تُرى ولكنها كبيرة بما يكفي للتأثير على سلوك الجاذبية. وإذا كانت هذه الأبعاد الإضافية موجودة، فإن القواعد التي تحكم كيفية تشكل الثقوب السوداء وتطورها قد تختلف جوهرياً عما نتوقعه.

قام فريق من الباحثين الآن بإعادة فحص الآليات القياسية لإنشاء هذه الثقوب السوداء البدائية، بتطبيق إطار نظري محدد يُعرف باسم "سيناريو البعد المظلم". هذا الإطار مدفوع بمبادئ عميقة للجاذبية الكمومية ويقترح أن كوننا يحتوي على بُعد إضافي واحد يبلغ حجمه تقريباً ميكرون واحد، وهو ما يعادل جزء من مليون من المتر. في هذا السيناريو، ينحصر "النموذج المعياري" لفيزياء الجسيمات في شريحة رقيقة من الفضاء، بينما يمكن للجاذبية أن تتسرب إلى هذا البعد الإضافي. وقد طرح الباحثون سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا كان هذا البعد الإضافي موجوداً، فهل الثقوب السوداء البدائية التي تشكلت في الكون المبكر هي حقاً أجسام رباعية الأبعاد، أم أنها تصبح حتماً خمسية الأبعاد؟

فحص الفريق ثلاث طرق معروفة يمكن للكون المبكر من خلالها توليد التكتلات الكثيفة من المادة اللازمة لتشكيل الثقب السوداء: التوسع السريع المعروف بالتضخم، والتحولات المفاجئة في حالة المادة المسماة بالانتقالات الطورية، وتشكيل الأوتار الكونية، وهي عيوب فضائية رقيقة وعالية الطاقة. ومن خلال تطبيق قيود صارمة من الجاذبية الكمومية، وجد المؤلفون أن الآلية الأولى، التضخم، تواجه عقبات نظرية كبيرة. والأهم من ذلك، أثبتوا أنه بالنسبة للآليتين الأخريين — الانتقالات الطورية والأوتار الكونية — فإن أي ثقب أسود يتشكل يجب أن يكون جسماً خمسي الأبعاد بشكل فعال. وينطبق هذا الاستنتاج بغض النظر عن عدد هذه الثقوب السوداء أو وقت تشكلها، بشرما لم تتدخل فيزياء جديدة غريبة عند مستويات الطاقة المنخفضة.

تتبع الباحثون تاريخ الكون وصولاً إلى لحظة حرجة تسمى "درجة حرارة الطبيعية"، والتي حدثت عندما كانت درجة حرارة الكون تبلغ حوالي 1 جيجا إلكترون فولت. قبل هذه النقطة، لم يكن البعد الإضافي قد استقر بعد، وكان الكون يتصرف كنظام عالي الأبعاد. وأظهر الفريق أنه إذا تشكلت الثقوب السوداء من انتقالات طورية عند درجات حرارة أعلى من هذا الحد، فستظهر في البداية كأجسام رباعية الأبعاد. ومع ذلك، وبسبب الحجم المحدد للبعد الإضافي، ستكون هذه الأجسام غير مستقرة؛ إذ ستخضع بسرعة لعملية تحول، حيث تتمدد في البعد الإضافي وتصبح ثقوباً سوداء خماسية الأبعاد. والطريقة الوحيدة ليبقى الثقب الأسود رباعي الأبعاد هي أن يتشكل عند درجات حرارة أقل بكثير من تلك المتوقعة للانتقالات الطورية المعروفة، وهو سيناريو يعتبره المؤلفون مستبعداً للغاية بالنظر إلى فهمنا الحالي لفيزياء الجسيمات.

الحالة الخاصة بالأوتار الكونية أكثر حسماً. فهذه الأوتار، التي يمكن أن تتشكل عندما تنكسر التناظرات في الكون المبكر، يمكن أن تنهار لتشكل ثقوباً سوداء. وقد حسب الباحثون أنه إذا تشكلت هذه الأوتار عند درجات حرارة فوق عتبة الطبيعية، فإن الثقوب السوداء الناتجة ستولد كبنى خمسية الأبعاد. وحتى لو تشكلت عند درجات حرارة أقل، فإن القيود المفروضة على حجم البعد الإضافي وخصائص الجسيمات المعنية تجعل من المستحيل أن تظل رباعية الأبعاد. ويخلص البحث إلى أنه في كون يحتوي على بُعد إضافي بحجم الميكرون، فإن الثقوب السوداء البدائية ليست الأجسام رباعية الأبعاد التي تخيلناها طويلاً، بل هي كيانات خمسية الأبعاد.

أحد أكثر الجوانب إثارة للاهتمام في هذا الاكتشاف يتعلق بعمر هذه الثقوب السوداء خماسية الأبعاد. ففي خمسة أبعاد، تتبخر الثقوب السوداء ببطء أكبر بكثير من نظيراتها رباعية الأبعاد. ووجد المؤلفون أن الثقوب السوداء المتشكلة من الأوتار الكونية يمكن أن تكون أعمارها مقاربة للعمر الحالي للكون، والذي يبلغ حوالي 13.8 مليار سنة. وهذا الطول في العمر يفتح نافذة للمراقبة. وأشار الباحثون إلى أن اكتشافاً حديثاً لنيوترينو عالي الطاقة بواسطة تجربة KM3NeT يمتلك مستوى طاقة يتوافق بشكل مثير للاهتمام مع المقياس المتوقع للفيزياء خمسية الأبعاد في هذا السيناريو. وإذا كانت هذه الثقوب السوداء القديمة تتبخر اليوم، فقد تكون هي مصدر مثل هذه الجسيمات عالية الطاقة. علاوة على ذلك، يوفر الطبيعة الخماسية لهذه الثقوب السوداء تفسيراً طبيعياً لسبب عدم اقتران حدث النيوترينو هذا بفوتون عالي الطاقة، وهي ميزة حيرت علماء الفلك. ويقترح البحث أن هذه الثقود السوداء خماسية الأبعاد يمكن أن تكون مصدراً قابلاً للتطبيق لمثل هذه الإشارات الكونية، مما يقدم جسراً محتملاً بين النماذج النظرية للأبعاد الإضافية والملاحظات الفلكية في العالم الحقيقي.

في نهاية المطاف، يعيد هذا العمل تشكيل فهمنا لأكثر الأجسام تطرفاً في الكون المبكر. فمن خلال تطبيق مبادئ الجاذبية الكمومية بصرامة على تشكل الثقوب السوداء البدائية، أظهر الباحثون أنه إذا وجد بُعد إضافي بحجم الميكرون، فإن هذه الثقود السوداء هي في الأساس خمسية الأبعاد. ويتحدى هذا الاستنتاج الافتراض القائم منذ فترة طويلة بأن جميع الثقوب السوداء هي رباعية الأبعاد، ويشير إلى أن الأبعاد الخفية للكون تلعب دوراً مباشراً في دورات حياة سكانه الأكثر غموضاً. إن النتائج لا تكتفي بتنقيح نموذج رياضي فحسب، بل تشير إلى كونٍ يكون فيه نسيج الفضاء أكثر تعقيداً مما ندركه، وحيث قد تهمس بقايا الانفجار العظيم بأسرارها من خلال الجسيمات عالية الطاقة التي تصل إلينا اليوم.