Primordial black holes from a type-IIB/F theory inflaton potential

في اللحظات الأولى لكوننا، وبعد جزء من الثانية من البداية، خضع الفضاء نفسه لفترة من التوسع الخيالي عُرفت باسم التضخم الكوني. هذا التمدد السريع سوّى الكون وجعل بذور كل ما نراه اليوم، من المجرات إلى النجوم. ومع ذلك، تشير نظرية التضخم أيضًا إلى أنه في ظل ظروف محددة ونادرة، كان بإمكان الكون إنتاج كتل صغيرة وكثيفة من المادة انهارت فورًا لتتحول إلى ثقوب سوداء. تُسمى هذه الثقوب السوداء الأولية. وبخلاف الثقوب السوداء الناتجة عن موت النجوم، كانت هذه ستولد من الطاقة الخام للكون المبكر. لعقود من الزمن، تساءل العلماء عما إذا كانت هذه الأجسام موجودة وما إذا كان بإمكانها أن تشكل "المادة المظلمة" غير المرئية التي تمسك المجرات معًا. لقد كان التحدي يكمن في إيجاد آلية فيزيائية تخلق ما يكفي من هذه الثقب السوداء دون كسر قواعد فهمنا الحالي للفيزياء.

قام فريق من الباحثين من جامعة بوردوان في الهند بإلقاء نظرة جديدة على هذه المشكلة باستخدام إطار عمل محدد من نظرية الأوتار، وهي مرشح رائد لنظرية كل شيء. ركزوا على مشهد رياضي يسمى "جهد الإنفلاتون"، والذي يصف حقل الطاقة المسؤول عن دفع التوسع الأولي للكون. في نموذجهم، بدأوا بنسخة من هذا الحقل التي تفسر بنجاح الهيكل السلس والواسع النطاق للكون الذي نلاحظه اليوم. وإلى هذا النموذج الراسخ، أدخلوا اضطرابًا موضعيًا صغيرًا للغاية. تخيل أن المنحدر الناعم لتلة يحتوي فجأة على نتوء صغير ولطيف. بلغة الباحثين، تم إنشاء هذا النتوء عن طريق تشويه طفيف لأحد الأشكال الهندسية الأساسية التي تحدد الأبعاد الخفية لنظرية الأوتار. لم يكن هذا التغيير الصغير مجرد تعديل عشوائي؛ بل صُمم لاختبار كيفية سلوك الكون عندما يصطدم التوسع السلس للتضخم بتباطؤ موضعي مؤقت.

عندما يتدحرج الحقل الذي يقود التضخم فوق هذا النتوء، فإنه لا يتسارع أو يتوقف تمامًا؛ بل يتباطأ بشكل كبير أكثر من المعتاد. يطلق الباحثون على هذه المرحلة اسم مرحلة "التدحرج فائق البطء". خلال هذا التوقف القصير، يتم تضخيم التقلبات الكمومية في الكون، والتي عادة ما تكون ضئيلة وغير ضارة، بشكل دراماتيكي. فكر في الأمر كوقفة مؤقتة في نهر جارف تسمح لتموج صغير بأن يتحول إلى موجة هائلة. في عمليات المحاكاة التي أجروها، تسبب هذا التضخيم في ارتفاع كثافة المادة في مناطق معينة إلى مستوى أعلى بكثير من المتوسط. وعندما استمر الكون في التوسع وعادت هذه المناطق الكثيفة في النهاية إلى الأفق المرئي، أصبحت الجاذبية داخلها قوية جدًا لدرجة أنها انهارت فورًا إلى ثقوب سوداء.

حسبت الدراسة خصائص هذه الثقوب السوداء الافتراضية بدقة كبيرة. ووجدوا أن العملية من شأنها إنتاج ثقوب سوداء تعادل كتلتها تقريبًا كتلة الأرض أو المشتري، وهو حجم أصغر بكثير من الثقوب السوداء الناتجة عن النجوم. ستكون هذه الأجسام خفيفة للغاية بالمعايير الفلكية، ومع ذلك فهي ضخمة بما يكفي للبقاء حتى يومنا هذا. حدد الباحثون أن هذه الثقوب السوداء ستستغرق وقتًا طويلًا لا يستوعبه العقل للتبخر، وهو أطول بكثير من عمر الكون الحالي. وهذا يعني أنه إذا تم إنشاؤها بالأعداد التي يقترحها نموذجهم، فستظل موجودة حتى اليوم، ومن المحتمل أن تساهم في المادة المظلمة التي تتخلل الكون.

ومع ذلك، فإن وجود هذه الأجسام ليس خالياً من القيود. فقد تحقق الفريق من نتائجهم مقابل الملاحظات الواقعية، وتحديدًا من خلال البحث في بيانات مسوحات التعدس المجهري. تبحث هذه المسوحات عن التوهج المؤقت للنجوم البعيدة الناتج عن جاذبية الأجسام المارة. ووجد الباحثون أنه لكي يكون نموذجهم متسقًا مع ما نراه في السماء، يجب أن تظل كثافة التقلبات الأولية تحت عتبة محددة. فإذا كانت التقلبات أقوى من ذلك، فإن وفرة الثقب السوداء الناتجة ستكون عالية جدًا، مما يتعارض مع عدم ملاحظة أحداث التعدس المجهري. تشير حساباتهم إلى أنه بينما يمكن لهذه الثقوب السوداء أن توجد، إلا أنها ستشكل فقط جزءًا صغيرًا من إجمالي المادة المظلمة، حوالي 0.12 بالمائة، وليس التفسير الوحيد لها.

بعيدًا عن الثقوب السوداء نفسها، تشير الدراسة إلى طريقة محتملة لاختبار هذه الأفكار في المستقبل. فالعملية العنيفة لإنشاء هذه الثقوب السوداء من شأنها أيضًا أن تولد تموجات في الزمكان تُعرف باسم الموجات الثقالية. أشار الباحثون إلى أن التردد المحدد لهذه الموجات يقع ضمن نطاق حساسية مصفوفة الكيلومتر المربع، وهو مشروع تلسكوب راديوي ضخم قيد التطوير حاليًا. يشير هذا إلى أن الملاحظات المستقبلية يمكن أن تكتشف هذه الموجات، مما يوفر دليلًا قويًا على وجود هذه الثقوب السوداء الأولية، أو تستبعد هذه الآلية المحددة تمامًا. يقدم هذا العمل مسارًا ملموسًا للمضي قدمًا، وينقل البحث عن هذه الأجسام المراوغة من النظرية البحتة إلى مجال العلم القابل للرصد.