Magnetic monopoles produced by first-order phase transition

في اللحظات الأولى من عمر الكون، أي بعد جزء من الثانية من الانفجار العظيم، كانت القوى الأساسية للطبيعة على الأرجح موحدة في تفاعل واحد قوي. ومع توسع الكون وبرودته، خضعت هذه القوة الموحدة لتحول دراماتيكي، حيث انقسمت إلى القوى المتمايزة التي نلاحظها اليوم، مثل الكهرومغناطيسية والقوة النووية القوية. هذه العملية، المعروفة باسم انتقال الطور، تشبه كيفية تحول الماء إلى جليد؛ فمع انخفاض درجة الحرارة، تتغير بنية المادة بشكل مفاجئ. وفي بيئة الكون المبكر عالية الطاقة، لم تكن هذه التحولات دائمًا سلسة. فأحيانًا، كان التغيير يحدث بعنف، مما يؤدي إلى خلق فقاعات من حالة المادة الجديدة المستقرة التي تتمدد وتتصادم داخل بحر من الحالة القديمة غير المستقرة. وعندما كانت هذه الفقاعات تصطدم ببعضها البعض، كان التلاقي الفوضوي لحدودها يمكن أن يمزق نسيج الزمكان، تاركًا وراءه ندوبًا دائمة تُعرف بالعيوب الطوبولوجية. أحد أشهر أنواع هذه العيوب هو أحادي القطب المغناطيسي، وهو جسيم افتراضي يعمل كقطب شمالي أو جنوبي معزول، على عكس المغناطيسات التي نواجهها في حياتنا اليومية والتي تمتلك دائمًا كلا القطبين.

لعقود من الزمن، ناقش الفيزيائيون ما إذا كانت هذه العيوب القديمة لا تزال موجودة اليوم وما الدور الذي قد تلعبه في الكون. فلو خُلقت بوفرة، لكان لها قوة جذب هائلة، مما قد يتسبب في انهيار الكون على نفسه، وهو سيناريو يُعرف باسم "مشكلة أحادي القطب". وبدلاً من ذلك، لو نجت بأعداد أقل، فقد تكون هي المادة الخفية التي تمسك المجرات ببعضها البعض، والمعروفة بالمادة المظلمة، أو قد تكون البذور التي ولدت المجالات المغناطيسية التي تتخلل الكون. ولتسوية هذه الأسئلة، لجأ فريق من الباحثين إلى محاكاة حاسوبية قوية لمراقبة ولادة وتطور هذه الجسيمات في الوقت الفعلي، مما يوفر منظورًا جديدًا لمصيرها وقدرتها على تشكيل الكون الذي نراه اليوم.

لقد شرع الباحثون في محاكاة نوع محدد من انتقال الطور العنيف، وهو الذي يحدث من خلال النشوء السريع وتصادم فقاعات الفراغ. وباستخدام شبكة ثلاثية الأبعاد لتمثيل رقعة من الكون المتوسع، قاموا ببرمجة قوانين الفيزياء لتتحكم في كيفية تشكل هذه الفقاعات ونموها وتحطمها معًا. ومع تصادم الفقاعات، أوجد التفاعل المعقد بين حدودها الظروف اللازمة لظهور أحاديات القطب المغناطيسية. تتبع الفريق دورة حياة هذه الجسيمات بالكامل، من ولادتها الفوضوية أثناء تصادم الفقاعات إلى رحلتها اللاحقة عبر الكون المتوسع. ولاحظوا أنه نظرًا لأن الكون بدأ بدون شحنة مغناطيسية صافية، فإن أحاديات القطب هذه كانت تُخلق دائمًا في أزواج، حيث يحمل أحدها شحنة موجبة ويحمل شريكه شحنة سالبة. وبمجرد تشكلها، بدأت هذه الأزواج في التجاذب، متحركة عبر الشبكة حتى تلتقي وتفني بعضها البعض، فتختفي في ومضة من الطاقة.

كان التحدي الرئيسي في هذه المحاكاة هو مراعاة توسع الكون نفسه. فبينما ينمو الكون، يظل الحجم الفيزيائي لأحاديات القطب ثابتًا، لكن الشبكة المستخدمة لمحاكاتها تتمدد فعليًا. وهذا التمدد هدد بجعل أحاديات القطب تبدو أصغر من النقاط الفردية للشبكة، مما قد يؤدي إلى فقدان المحاكاة لتتبعها وإنتاج نتائج غير موثوقة. ولحل هذه المشكلة، استخدم الباحثون تقنية ذكية حيث سمحوا لـ "نواة" أحادي القطب بالنمو في الحجم بالنسبة للشبكة مع توسع الكون. هذا التعديل ضمن بقاء الجسيمات كبيرة بما يكفي لتتبعها بدقة طوال فترة المحاكاة، مما سمح للفريق بمتابعة تطورها حتى وصل النظام إلى حالة مستقرة حيث يتوازن معدل التصادمات الجديدة مع معدل الفناء.

قدمت نتائج هذه المحاكاة صورة واضحة لعدد أحاديات القطب التي تنجو من الفوضى الأولية. وجد الفريق أنه بينما يؤدي العدد الأعلى من الفقاعات الأولية إلى خلق المزيد من أحاديات القطب، فإن عدد الناجين لا يزداد بشكل غير محدود. بدلاً من ذلك، يصل تعداد الأزواج الناجية إلى نقطة تشبع. يحدث هذا لأنه عندما تُخلق الكثير من أحاديات القطب في مساحة صغيرة، فإنها تُحشر بضيق شديد بحيث تجد شركاء لها بسرعة وتفني بعضها البعض قبل أن تتمكن من الانتشار. وقد وضع الباحثون علاقة دقيقة بين عدد الفقاعات التي بدأت العملية وعدد أزواج أحاديات القطب التي بقيت في النهاية، مما أظهر أن الوفرة النهائية أقل بكثير مما اقترحته بعض التقديرات السابقة.

وبعيدًا عن عد الجسيمات، استقصى الفريق البصمات الطاقية التي ستتركها هذه الأحداث، وبالتحديد البحث عن المجالات المغناطيسية والموجات الثقالية. الموجات الثقالية هي تموجات في الزمكان ناتجة عن أحداث كونية عنيفة، بينما المجالات المغناطيسية هي قوى غير مرئية يمكن أن تؤثر على حركة الجسيمات المشحونة. كشفت عمليات المحاكاة أن المجالات المغناطيسية الناتجة عن أحاديات القطب لها بنية محددة للغاية: فهي قوية على مقياس أحاديات القطب نفسها ولكنها تتلاشى بحدة شديدة عند المسافات الأكبر. والأهم من ذلك، أن قوة هذه المجالات، عند حسابها لظروف الكون المبكر، تبين أنها ضعيفة جدًا لدرجة لا تسمح بتفسير المجالات المغناطيسية المرصودة في المجرات اليوم. وحتى بعد احتساب توسع الكون وتبدد الطاقة عبر مليارات السنين، فإن قوة المجال المغناطيسي الناتج عن أحاديات القطب هذه تظل أقل بكثير من المستويات الدنيا التي يرصدها علماء الفلك في المجرات البعيدة. وتستبعد هذه النتيجة فعليًا فكرة أن أحاديات القطب المغناطيسية التي خُلقت بهذه الطريقة هي المصدر الأساسي للمجالات المغناطيسية الكونية التي تشكل كوننا.

كما بحث الباحثون في الموجات الثقالية الناتجة عن حركة وفناء أحاديات القطب هذه. وأظهرت عمليات المحاكاة أن الطاقة التي تحملها هذه الموجات ضئيلة للغاية. وعند تعديل الإشارة لتناسب توسع الكون لمعرفة ما ستكون عليه اليوم، فإن سعتها صغيرة جدًا بحيث تتجاوز قدرة الكواشف الحالية أو المخطط لها. وهذا يعني أنه حتى لو وجدت أحاديات القطب هذه، فمن غير المرجح اكتشافها من خلال الموجات الثقالية التي تولدها. علاوة على ذلك، استخدم الفريق نتائج المحاكاة لحساب كتلة هذه الجسيمات تحت سيناريوهات مختلفة. فإذا كانت أحاديات القطب هي التي تشكل المادة المظلمة التي تملأ الكون، فيجب أن تكون كتلتها أقل من حد معين لتجنب إغلاق الكون (overclosing the universe). وإذا كانت مادة مرئية، فإن الحدود تكون أكثر صرامة. وتشير الحسابات إلى أنه لكي توجد أحاديات القطب دون انتهاك القيود الفيزيائية المعروفة، يجب أن تكون خفيفة نسبيًا مقارنة بالطاقات الهائلة للكون المبكر، ويجب أن يكون انتقال الطور الذي خلقها قد حدث عند درجة حرارة أقل بكثير مما كان يُعتقد سابقًا لمثل هذه الجسيمات الثقيلة.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل إجابة صارمة قائمة على المحاكاة لسؤال طويل الأمد حول طبيعة الكون المبكر. فمن خلال مراقبة ولادة وموت أحاديات القطب المغناطيسية في كون رقمي، أظهر الباحثون أنه بينما يمكن خلق هذه الجسيمات في انتقالات طور عنيفة، إلا أنه من غير المرجح أن تكون القوة المهيمنة وراء المغناطيسية الكونية أو المكون الأساسي للمادة المظلمة. فالمجالات المغناطيسية التي تولدها ضعيفة جدًا لتكون بذورًا للبنية المغناطيسية للكون، والموجات الثقالية التي تنتجها باهتة جدًا بحيث لا يمكن سماعها بواسطة أدواتنا. تشير هذه النتائج إلى أنه إذا كانت أحاديات القطب توجد بالفعل، فهي نادرة ومراوغة، وأن أصل المجالات المغناطيسية التي نراها اليوم يجب أن يُبحث عنه في آلية أخرى لم تُكتشف بعد. تغلق هذه الدراسة فصلًا من التفسيرات الممكنة للمغناطيسية الكونية، وتوجه الفيزيائيين في المستقبل للبحث في مكان آخر عن مصادر القوى الخفية في الكون.