Magnetically Charged Black Holes from Grand Unified Theory
تقترح هذه الورقة أن نماذج نظرية التوحيد الكبرى التي تتميز بجدران نطاق منحازة يمكن أن تنهار لتشكل ثقوباً سوداء مشحونة مغناطيسياً، حيث يحدد معامل كسر التناظر المنفصل ما إذا كانت هذه الأجسام خفيفة وقصيرة العمر أو ذات أبعاد فلكية ومستقرة بما يكفي لاستيفاء القيود الرصدية الحالية على كثافة أحادي القطب المغناطيسي.
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
يمتلئ الكون بهياكل غير مرئية تشكل الكون، تماماً مثل المجالات المغناطيسية التي توجه إبرة البوصلة. في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، يعتقد علماء الفيزياء أن القوى الأساسية للطبيعة كانت موحدة في تفاعل واحد قوي. ومع تبرد الكون، انكسر هذا التوحيد، وهي عملية تُعرف بكسر التناظر، مما أدى إلى ظهور القوى المتميزة التي نراها اليوم. ومع ذلك، فإن كسر التناظر هذا ليس دائماً نظيفاً تماماً. فتماماً كما قد تترك قشرة البيضة المتشققة حوافاً مسننة، يمكن لهذه التحولات الكونية أن تترك وراءها عيوباً في نسيج الفضاء نفسه. اثنان من هذه العيوب هما الأقطاب المغناطيسية المنفردة (monopoles)، وهي جسيمات تحمل قطباً مغناطيسياً واحداً، وجدران النطاقات (domain walls)، وهي حدود شاسعة تشبه الصفائح تفصل بين مناطق في الفضاء ذات خصائص مختلفة. وبينما يعد وجود الأقطاب المغناطيسية المنفردة تنبؤاً قياسياً لنظريات التوحيد الكبرى، فإن وفرتها تشكل لغزاً: فلو تم إنتاجها بأعداد هائلة، لكانت تهيمن على كتلة الكون اليوم، ومع ذلك فنحن لا نراها.
استكشف فريق من الباحثين في جامعة ولاية أريزونا آلية يمكن أن تحل هذا اللغز مع التنبؤ في الوقت نفسه بنوع جديد من الأجرام الكونية. لقد بحثوا فيما يحدث عندما تجتاح جدران النطاقات، التي تكون "منحازة" قليلاً للتحرك في اتجاه واحد، الكون المبكر وتصطدم بالأقطاب المغناطيسية المنفردة. وبدلاً من مجرد تدمير الأقطاب، تقوم الجدران بحبس شحنتها المغناطيسية. ومع انهيار شبكة هذه الجدران وفنائها في نهاية المطاف، تتركز الشحنة المحبوسة في عقد كثيفة. وجد الباحثون أنه تحت ظروف محددة، يمكن لهذه العقد أن تنهار أكثر لتشكل ثقوباً سوداء تحمل شحنة مغناطيسية. ويعتمد مصير هذه الثقوب السوداء كلياً على قوة الانحياز الذي يحرك الجدران، مما يؤدي إلى نتيجتين مختلفتين تماماً: إما أن تكون الثقوب السوداء خفيفة وقصيرة العمر، أو أنها ضخمة بما يكفي للبقاء حتى يومنا هذا.
تركز الدراسة على معلمة (parameter) محددة تحدد مدى قوة كسر التناظر، والتي بدورها تملي سلوك جدران النطاقات. إذا كان هذا الانحياز قوياً نسبياً، فإن الجدران تتحرك بسرعة وتفنى في وقت مبكر من تاريخ الكون. في هذا السيناريو، تكون الثقوب السوداء الناتية خفيفة للغاية، بكتل في حدود الغرامات. ولأنها خفيفة جداً، فهي غير مستقرة؛ إذ ستفقد الطاقة بسرعة من خلال عملية تسمى إشعاع هوكينج، لتصل في النهاية إلى حالة تتساوى فيها كتلتها مع شحنتها المغناطيسية. وبمجرد وصولها إلى هذه الحالة، ستتفكك بسرعة عبر إنتاج أزواج من الأقطاب المغناطيسية المنفردة، وتختفي تماماً قبل العصر الحالي للكون. وهذا يشير إلى أنه بينما قد تكون مثل هذه الأجسام قد وجدت في الكون الوليد، إلا أنها ليست موجودة اليوم.
ومع ذلك، يتغير المشهد بشكل دراماتيكي إذا كانت معلمة الانحياز أصغر بكثير. في هذه الحالة، تستمر جدران النطاقات لفترة أطول، حيث تهيمن على كثافة الطاقة في الكون لفترة من الزمن قبل أن تنهار أخيراً. تجرف الجدران في هذا السيناريو عدداً هائلاً من الأقطاب المغناطيسية قبل أن تتلاشى. وعندما تنهار أخيراً، تشكل ثقوباً سوداء أكثر ضخامة، تزن على الأقل غراماً. وعلى عكس نظيراتها الخفيفة، فإن هذه الثقوب السوداء الثقيلة مستقرة، فهي تحمل شحنة مغناطيسية كبيرة، تعادل تقريباً من وحدة الشحنة المغناطيسية الأساسية، لكنها ليست بعد عند الحد الذي يؤدي إلى اضمحلالها فورياً. ولأنها ضخمة جداً، فهي لا تتبخر بسرعة. ويحسب الباحثون أن هذه الأجسام يمكن أن تكون قد نجت من تاريخ الكون بأكمله ويمكنها أن تظل تجوب الكون اليوم.
تمتد آثار هذا الاكتشاف إلى ما وراء وجود الثقوب السوداء نفسها. فالآلية نفسها التي تخلق هذه الثقوب السوداء الثقيلة والمستقرة تقدم أيضاً حلاً لمشكلة الوفرة المفرطة للأقطاب المغناطيسية المنفردة طويلة الأمد. ففي السيناريو الذي تهيمن فيه الجدران ثم تنهار، تقوم الجدر "بكنس" الغالبية العظمى من الأقطاب المغناطيسية المنفردة، وتحبس شحنتها على الجدران. وعندما تفنى الجدر، يتم تحييد معظم هذه الشحنة أو تحويلها إلى الثقوب السوداء المستقرة القليلة، مما يترك كثافة متبقية من الأقطاب المغناطيسية الحرة منخفضة بما يكفي لاستيفاء جميع القيود الرصدية الحالية. وهذا يعني أن الكون يمكنه بطريقة طبيعية تفسير سبب عدم رؤيتنا لبحر من الأقطاب المغناطيسية، مع التنبؤ في الوقت نفسه بوجود مجموعة من الثقوب السوداء الثقيلة ذات الشحنة المغناطيسية.
يؤكد الباحثون أن عملهم يعتمد على النماذج النظرية ومحاكاة كيفية تطور هذه المجالات، وليس على الملاحظة المباشرة. ويشيرون إلى أن تكوين الثقوب السوداء من الجدر المنهارة ليس مضموناً لكل جدار؛ إذ يعتمد الأمر على شكل الجدار وكيفية تفتته. ومن الناحية الواقعية، قد تتفكك العديد من الجدر دون تكوين ثقب أسود، مما يقلل العدد الإجمالي لهذه الأجسام في الكون. علاوة على ذلك، تحدد الدراسة نطاقاً من المعلمات التي تكون فيها الثقوب السوداء "دون حدية" (sub-extremal)، مما يعني أنها مستقرة ولكنها لا تزال تحمل مجالاً مغناطيسياً قوياً. وإذا وجدت مثل هذه الثقوب السوداء، فقد يكون لها بصمات يمكن رصدها. على سبيل المثال، إذا اندمج اثنان من هذه الثقوب السوداء التي تزن مليارات الأطنان، فإن المجالات المغناطيسية المكثفة ستولد دفقات من الإشعاع الكهرومغناطيسي، والتي يمكن اكتشافها كدفقات راديوية سريعة أو إشارة مميزة في السماء.
في نهاية المطاف، يربط هذا العمل بين فيزياء الجسيمات الدقيقة للكون المبكر والأجسام المحتملة ذات الحجم الكبير التي قد نرصدها اليوم. إنه يشير إلى أن تاريخ كسر التناظر في الكون قد يكون قد ترك وراءه مجموعة خفية من الثقوت السوداء الثقيلة ذات الشحنة المغناطيسية. ورغم أن الورقة البحثية لا تدعي العثور على هذه الأجسام، إلا أنها توفر إطاراً نظرياً ملموساً لكيفية وجودها وبقائها. ويخلص المؤلفون إلى أن العمل المستقبلي مطلوب لتحديد عدد هذه الثقوب السوداء بدقة وتطوير التنبؤات لكيفية رصدها، لكن احتمال أن يكون الكون مأهولاً بهذه البقايا الفريدة ذات الشحنة المغناطيسية لكسر التناظر من الانفجار العظيم أصبح الآن اعتباراً جدياً في علم الكونيات.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.