Impact of Bubble Nucleation History and Friction on Primordial Black Hole Formation

في اللحظات الأولى من عمر الكون، أي بعد أجزاء من الثانية من الانفجار العظيم، لم يكن الفضاء فراغاً متمدداً وسلساً كما نراه اليوم. بل كان بيئة هائجة وعالية الطاقة حيث كانت القوى الأساسية للطبيعة تمر بتحول دراماتيكي. يعتقد الفيزيائيون أنه خلال هذا العصر، ربما شهد الكون "انتقال طوري من الدرجة الأولى"، وهي عملية تشبه غليان الماء وتحوله إلى بخار، ولكنها حدثت على نطاق كوني. وبدلاً من أن يكون تحولاً لطيفاً، حدث هذا الانتقال من خلال الظهور المفاجئ لفقاعات من حالة جديدة ذات طاقة أقل داخل بحر من الحالة القديمة ذات الطاقة العالية. كانت هذه الفقاعات ستتوسع وتتصادم وتندمج في النهاية لتملأ الكون بالحالة الجديدة. ولأن هذه العملية عشوائية بطبيعتها، فقد تُرِكت بعض جيوب الفضاء خلفها، محاصرة في الحالة القديمة لفترة طويلة بعد أن انتقل جيرانها بالفعل إلى الحالة الجديدة. وعندما تحولت هذه الجيوب المتأخرة أخيراً، فإن التحرر المفاجئ للطاقة يمكن أن يخلق كتلًا كثيفة من المادة. وإذا كانت هذه الكتل كثيفة بما يكفي، فستنهار تحت تأثير جاذبيتها الخاصة لتشكل ثقوباً سوداء بدائية—وهي ثقوب سوداء صغيرة وقديمة قد لا تزال موجودة حتى اليوم.

قام فريق من الباحثين الآن بإلقاء نظرة فاحصة على كيفية سلوك هذه الجيوب المتأخرة، مع التركيز تحديداً على عاملين غالباً ما كانت الدراسات السابقة تعالجهما بشكل منفصل: سرعة توسع الفقاعات والاحتكاك الذي تواجهه أثناء حركتها عبر البلازما الساخنة للكون المبكر. بنى العلماء محاكاة مفصلة لتتبع كيفية نمو هذه الفقاعات وكيفية تحرر الطاقة المحاصرة بداخلها. أرادوا فهم كيف يساهم "تاريخ" تشكل الفقاعة—سواء حدث في اندفاع ثابت وأسي أو في نمط منحنى جرس أكثر تدريجياً—مع مقاومة البلازما المحيطة في تشكيل النتيجة النهائية. وتشير أعمالهم إلى أن الاحتكاك بين جدران الفقاعات المتوسعة والجسيمات المحيطة يعدل ديناميكيات الفقاعة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تغييرات جوهرية في حجم وتوقيت الثقوب السوداء التي قد تتشكل.

بدأ الباحثون بنمذجة الكون كمجموعة من منطقتين متميزتين: منطقة خلفية حدث فيها الانتقال الطوري في موعده المحدد، و"رقعة متأخرة" حيث كان الانتقال متأخراً. في الخلفية، تحولت طاقة الحالة القديمة بسلاسة إلى إشعاع، وبردت مع توسع الكون. أما في الرقعة المتأخرة، فقد ظلت الطاقة محاصرة في الحالة القديمة لفترة أطول. وعندما حدث الانتقال أخيراً في هذه الرقعة المتأخرة، فقد أطلق دفعة هائلة من الطاقة في مساحة كانت بالفعل أبرد وأقل كثافة من الخلفية المحيطة. خلق هذا تبايناً حاداً، وهو تباين في الكثافة المحلية، وهو الشرط الضروري لتشكل ثقب أسود. وحسب الفريق أن المنطقة ستنهار لتصبح ثقباً أسود بدائياً إذا وصل تباين الكثافة هذا إلى عتبة حرجة محددة.

إن الاكتشاف الرئيسي في عملهم هو التأثير العميق للاحتكاك. فبينما تتوسع جدران هذه الفقاعات، فهي لا تتحرك في فضاء فارغ؛ بل تشق طريقها عبر حساء ساخن من الجسيمات. وجد الباحثون أن هذا التفاعل يخلق قوة سحب، تشبه تماماً تحريك اليد عبر مياه كثيفة. في العديد من النماذج السابقة، افترض العلماء أن جدران الفقاعات ستتسارع لتصل إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء فوراً دون أي عائق. ومع ذلك، يظهر هذا التحليل الجديد أنه اعتماداً على قوة قوة الاحتكاك، يمكن لجدران الفقاعات أن تمر عبر سيناريو تسارع جامح أو يتم تنظيمها لتصل إلى سرعة نهائية. وبالنسبة لسيناريوهات المعايير المرجعية المدروسة، فإن سرعة جدار الفقاعة تصل إلى حالة التشبع فور تشكلها بدلاً من مجرد التباطؤ. هذا المقاومة تغير ميزانية الطاقة بالكامل؛ فبدلاً من أن يحمل جدار الفقاعة معظم الطاقة، يُفقد جزء كبير منها بسبب الاحتكاك، مما يؤدي إلى تسخين البلازما المحيطة بدلاً من ذلك.

ولهذا الفقد في الطاقة تأثير غير متوقع على الثقوب السوداء التي تتشكل. نظرًا لأن الكثير من الطاقة تتبدد بفعل الاحتكاك، فإن دفعة الإشعاع الناتجة عن انتقال الرقعة المتأخرة أخيراً تكون أضعف مما هو متوقع. ومن المفارقات أن هذه الدفعة الأضعف تؤدي إلى تشكل ثقب سوداء أكبر. في السيناريو الخالي من الاحتكاك، يحدث الانتقال بسرعة، ويكون الثقب الأسود الناتج صغيراً نسبياً. ولكن عند تضمين الاحتكاك، يستغرق الانتقال وقتاً أطول لاكتماله، وتتوزع الطاقة التي يتم تحريرها بشكل مختلف. أظهرت عمليات المحاكاة أنه عند مراعاة الاحتكاك، يمكن أن تزدد الكتلة الأولية للثقب الأسود الناتج بأكثر من 100 بالمائة مقارنة بالحالة الخالية من الاحتكاك. وفي بعض السيناريوهات حيث يكون الاحتكاك قوياً بشكل خاص، يمكن أن تزيد كتلة الثقب الأسود عن ثلاثة أضعاف.

كما درس الباحثون كيف يؤثر نمط تشكل الفقاعات على هذه النتائج. وقارنوا بين تاريخين مختلفين: أحدهما تظهر فيه الفقاعات بمعدل متزايد باستمرار، والآخر يرتفع فيه معدل الظهور ليصل إلى ذروة ثم ينخفض، مشابهاً لمنحنى الجرس. ووجدوا أن شكل تاريخ النواة (التنوي) يهم بقدر أهمية الاحتكاك. فعندما تتشكل الفقاعات وفق نمط منحنى الجرس، تتطلب الرقع المتأخرة وقتاً أطلاً للانتظار لتوليد الكثافة اللازمة للانهيار. وعند الجمع بين آثار الاحتكاك وهذا النمط المحدد من تاريخ النواة، ينتج عن ذلك أكبر الثقوب السوداء على الإطلاق، حيث تزداد الكتل الأولية بأكثر من 300 بالمائة مقارنة بالنماذج الأبسط الخالية من الاحتكاك.

وإلى جانب الثقوب السوداء نفسها، تقدم الدراسة طريقة لاختبار هذه الأفكار باستخدام موجات الجاذبية. فعندما تصطدم الفقاعات وتتوسع، فإنها تخلق تموجات في الزمكان. وجد الفريق أن وجود الاحتكاك يغير من طبيعة هذه التموجات. في عالم خالٍ من الاحتكاك، ستتسابق الفقاعات لتصل إلى سرعة الضوء، وستأتي موجات الجاذبية أساساً من التصادم العنيف لجدران الفقاعات. ولكن مع وجود الاحتكاك، تتحرك الجدران ببطء أكبر، وتنتقل الطاقة إلى سائل الكون، مما يخلق موجات صوتية واضطرابات. هذه الحركات السائلة تولد إشارة مختلفة، وربما أقوى، من موجات الجاذبية. ويقترح الباحثون أنه من خلال الاستماع إلى "طنين" هذه الموجات المحدد باستخدام أجهزة الكشف المستقبلية، يمكن للعلماء التمييز بين كونٍ خالٍ من الاحتكاك وكونٍ لعب فيه الاحتكاك دوراً رئيسياً. وهذا من شأنه أن يسمح لنا بالنظر إلى اللحظات الأولى من الكون وتحديد كيف برد واستقر في شكله الحالي، مما قد يكشف عن وجود هذه الثقوب السوداء القديمة والخفية.