Closing the Mass Window for Stupendously Large Black Holes
تُثبت هذه الورقة أن الثقوب السوداء البدائية ذات الكتل التي تتجاوز مستبعدة كعنصر مادة مظلمة جوهري، لأن اضطرابات التباين في العينة (isocurvature perturbations) المرتبطة بها تنتهك قيود إشعاع الخلفية الكونية الميكروي الحالية لبعثة بلانك.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
الكون مليء بمادة غير مرئية تمسك المجرات ببعضها البعض، وهي مادة نسميها المادة المظلمة. وبينما لا يمكننا رؤيتها بشكل مباشر، إلا أننا نعلم بوجودها من خلال كيفية تأثير جاذبيتها على النجوم والضوء. لعقود من الزمن، تساءل العلماء عماهذا الشيء الغامض في الواقع. تشير إحدى الأفكار المقنعة إلى أن المادة المظلمة قد تكون مكونة من ثقوب سوداء بدائية — ثقوب سوداء صغيرة وقديمة تشكلت في الجزء الأول من الثانية بعد الانفجار العظيم، قبل وقت طويل من اشتعال أول النجوم. هذه الأجسام ستكون منتشرة في أرجاء الكون، غير مرئية وصامتة، ومع ذلك فهي ضخمة بما يكفي لتفسير الوزن المفقود للكون.
إذا كانت هذه الثقوب السوداء القديمة موجودة بأعداد هائلة، فإنها ستترك بصمة محددة على الكون المبكر. ولأنها تشكلت من تكتلات من المادة بدلاً من توزيع سلس ومتساوٍ، فإنها ستخلق جيوباً محلية من الكثافة الإضافية محاطة بفضاء فارغ. ومع توسع الكون، ستؤثر هذه الجيوب على الغاز والإشعاع المحيط بها، مما يخلق تموجات في نسيج الزمكان. هذه التموجات، المعروفة باسم اضطرابات "الآيسوكيرفاتور" (isocurvature perturbations)، ستترك في النهاية علامة مميزة على إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو الوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم الذي لا نزال قادرين على رصده اليوم. ومن خلال دراسة هذا الضوء القديم، يمكن لعلماء الفلك اختبار ما إذا كان الكون قد وُلد بهذه الأنواع المحددة من التكتلات، مستخدمين الكون المبكر فعلياً كمختبر لوزن المكونات المحتملة للمادة المظلمة.
استخدمت دراسة حديثة أجراها باحثون في معهد ماينز للفيزياء النظرية وجامعة نيويورك هذه الطريقة لإغلاق الباب أمام فئة ضخمة بشكل خاص من هذه الأجسام الافتراضية. ركز الفريق على الثقوب السوداء "الضخمة للغاية"، وهي فئة نظرية تُعرف بامتلاكها كتلًا تزيد عن مائة مليار ضعف كتلة شمسنا. ورغم أن هذه العمالقة ثقيلة جداً لدرجة أنها لا تستطيع العيش داخل مجرات فردية، إلا أن بعض النظريات كانت قد اقترحت أنه لا يزال بإمكانها تشكيل جزء كبير من إجمالي المادة المظلمة في الكون، وربما تفسير وجود الثقواب السوداء فائقة الكتلة في الكون المبكر أو موجات الجاذبية التي رصدتها المراصد. لقد سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كانت مثل هذه الأجسام الضخمة يمكن أن توجد دون أن تتعارض مع القياسات الدقيقة التي نملكها عن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.
ولاختبار ذلك، قام الفريق بنمذجة كيفية سلوك كون مليء بهذه الثقوب السوداء الهائلة. وحسبوا أنه إذا كانت هذه الثقوب السوداء الضخمة للغاية موجودة بالأعداد المطلوبة لتكون جزءاً رئيسياً من المادة المظلمة، فإن تأثير جاذبيتها كان سيخلق الكثير من الاضطراب في الكون المبكر. وتحديداً، فإن الكثافات المفرطة المحلية التي تسببها هذه الثقوب السوداء كانت ستولد اضطرابات "آيسوكيرفاتور" أقوى بكثير مما نرصده اليوم في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. وتظهر البيانات الواردة من قمر "بلانك" الصناعي، الذي يرسم خريطة لدرجة حرارة الكون المبكر بدقة متناهية، وجود نعومة لا يمكن أن تستوعب التقلبات الفوضوية التي كانت ستنتجها هذه الثقوب السوداء الضخمة.
وجد الباحثون أنه حتى لو كانت هذه الثقوب السوداء تشكل سوى جزء صغير من إجمالي المادة المظلمة، فإن حجمها الهائل سيظل يولد إشارات تتجاوز الحدود الرصدية الحالية. ومن خلال مقارنة نماذجهم النظرية مع القيود الصارمة التي توفرها مهمة "بلانك" وغيرها من قياسات البنية واسعة النطاق للكون، أثبتوا أن نافذة الكتلة لهذه الثقوت السوداء الضخمة للغاية مغلقة فعلياً. بعبارة أخرى، إذا كانت هذه الأجسام موجودة على الإطلاق، فهي نادرة جداً بحيث لا يمكنها لعب أي دور مهم في تكوين المادة المظلمة. وينطبق هذا الاستنتاج حتى عند أخذ أكثر التقديرات تحفظاً حول كيفية تجمع هذه الثقوب السوداء أو تطورها بمرور الوقت.
لهذا الاكتشاف تداعيات هامة على عدة مجالات نشطة أخرى في الفيزياء الفلكية. فعلى سبيل المثال، يشير هذا إلى أن خلفية موجات الجاذبية التي رصدتها مؤخراً مصفوفات التوقيت النبضي لا يمكن أن تكون ناتجة عن اندماج هذه الأنواع المحددة من الثقوب السوداء. كما أنه يتحدى النظريات التي تحاول تفسير وجود مجرات ضخمة بشكل مفاجئ لوحظت بواسطة تلسكوب جيمس ويب الفضائي، باعتبارها نتيجة لتقلبات زرعتها مثل هذه الثقوب السوداء. ولا تستبعد الدراسة وجود ثقوب سوداء بدائية أصغر حجماً، والتي تظل مرشحاً قابلاً للتطبيق للمادة المظلمة في نطاق كتلة ضيق جداً، لكنها تستبعد تماماً احتمال أن يكون الكون مأهولاً ببحر من هذه العمالقة الضخمة للغاية.
يعتمد العمل على مبدأ فيزيائي بسيط: الكون الذي نراه اليوم هو نتيجة لكيفية سلوك المادة في لحظاتها الأولى. فإذا كانت المكونات مختلفة، لكانت الصورة النهائية مختلفة. ومن خلال إظهار أن إدراج الثقوب السوداء الضخمة للغاية في الحسبان من شأنه أن يشوه إشعاع الخلفية الكونية الميكروي بما يتجاوز حدود الإدراك، قدم الباحثون سبباً واضحاً وقوياً لرفضها كعنصر أساسي للمادة المظلمة. ويؤكد تحليلهم أن تاريخ الكون المبكر كان سلساً بشكل ملحوظ، مما لا يترك مجالاً كبيراً لنوع البذور الضخمة والفوضوية التي كانت ستوفرها هذه الثقوب السوداء الافتراضية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.