كيف يمكننا اكتشاف الثقوب السوداء البدائية بحجم الذرة؟

أحد أكثر التنبؤات إثارة للاهتمام في نظرية النسبية العامة لأينشتاين هو وجود الثقوب السوداء: أجسام فلكية ذات مجالات جاذبية قوية جدًا لدرجة أنه لا يمكن حتى للضوء الهروب منها.

عندما ينفد وقود نجم ضخم بما فيه الكفاية ، ينفجر وينهار اللب المتبقي ، مما يؤدي إلى تكوين ثقب أسود نجمي (يتراوح من 3 إلى 100 كتلة شمسية).

توجد ثقوب سوداء فائقة الكتلة أيضًا في وسط معظم المجرات. هذا هو أكبر نوع من الثقوب السوداء ، حيث تحتوي على ما بين مائة ألف وعشرة مليارات مرة كتلة أكبر من شمسنا.

حتى الآن ، التقط علماء الفلك صورًا لثقبين أسودين هائلين: أحدهما في مركز المجرة M87 ، والأحدث في مجرتنا درب التبانة (القوس A *).

تُظهر هذه الرسوم المتحركة مقارنة بالحجم بين هذين العملاقين:

لكن يُعتقد أن هناك نوعًا آخر من الثقوب السوداء – الثقب الأسود البدائي أو البدائي (PBHs). هذه لها أصل مختلف عن الثقوب السوداء الأخرى ، حيث تكونت في بدايات الكون من خلال الانهيار الثقالي للمناطق شديدة الكثافة.

من الناحية النظرية ، يمكن أن تمتلك هذه الثقوب السوداء البدائية أي كتلة ، وقد يتراوح حجمها من جسيم دون ذري إلى عدة مئات من الكيلومترات. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون لـ PBH بكتلة مكافئة لجبل إفرست حجم ذرة.

تفقد هذه الثقوب السوداء الصغيرة الكتلة بمعدل أسرع من نظيراتها الضخمة ، وتصدر ما يسمى بإشعاع هوكينغ ، حتى تتبخر في النهاية.

حتى الآن ، لم يكن علماء الفلك قادرين على مراقبة الثقوب السوداء. هذا موضوع بحث مستمر لأنه من المفترض أن هذه الأجسام فائقة الصغر قد تكون جزءًا من المادة المظلمة التي تم البحث عنها منذ فترة طويلة في الكون.

تم اقتراح سيناريو بديل للكشف عن الثقوب السوداء البدائية بحجم الذرة في منشور حديث. في هذا البحث ، تمت دراسة الإشارة المميزة للتفاعل بين أحد هذه الثقوب السوداء الصغيرة وأحد أكثر الأجسام كثافة في الكون (نجم نيوتروني).

قبل الشروع في هذا النموذج الفيزيائي الفلكي الجديد ، دعونا الآن نعلق على الخصائص الرئيسية لهذه النجوم الرائعة.

أحد أكثر الأشياء كثافة في الكون

كما ذكرنا سابقًا ، عندما ينفد وقود نجم ضخم ، ينفجر وينهار قلبه ، مما يؤدي إلى ثقب أسود نجمي. يجب التأكيد على أن هذا ليس هو الحال في كل سيناريو: على سبيل المثال ، إذا كان اللب المنهار أقل كتلة من حوالي ثلاث كتل شمسية ، يتشكل نجم نيوتروني.

هذه أشياء صغيرة جدًا وكثيفة للغاية. على سبيل المثال ، لنفترض أن نجمًا كتلته 1.5 كتلة شمسية مضغوطة في كرة قطرها 20 كيلومترًا فقط (حجم جزيرة مانهاتن).

كثافة النجم النيوتروني عالية للغاية: فملعقة كبيرة من مادة النجوم تزن ملايين الأطنان!

تنتمي أصغر النجوم النيوترونية إلى فئة فرعية تسمى النجوم النابضة والتي تدور بسرعات عالية للغاية (حتى أسرع من خلاط المطبخ). تصدر هذه النجوم النابضة إشعاعات على شكل حزم ضيقة تصل بشكل دوري إلى الأرض.

بمرور الوقت ، تبرد هذه الأجسام وتفقد سرعتها الدورانية ، ويصعب اكتشافها (تمت ملاحظة أكثر النجوم النابضة نشاطًا فقط).

تفاعل PBH بالحجم الذري مع نجم نيوتروني

قد توجد الثقوب السوداء البدائية في مناطق المجرة حيث يكون تركيز المادة المظلمة مرتفعًا بشكل ملحوظ. وبالتالي ، يمكنهم التجول في الكون (يتحركون بسرعات واتجاهات مختلفة) ويتفاعلون في النهاية مع الأجسام الفلكية الأخرى (مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية).

بهذا المعنى ، يمكن أن يواجه PBH بحجم الذرة نجمًا نيوترونيًا قديمًا (درجة حرارته منخفضة بشكل ملحوظ وفقد تقريبًا كل سرعته الدورانية). وفقًا لهذا البحث الأخير ، سيكون تكرار هذه اللقاءات في حدود 20 حدثًا في السنة. ومع ذلك ، سيكون من الصعب ملاحظة معظم هذه التفاعلات (بسبب المسافات الشاسعة والتوجيه المناسب من الأرض).

يتم أخذ سيناريوهين محتملين في الاعتبار: أولاً ، عندما يتم التقاط PBH بواسطة النجم النيوتروني والثاني ، عندما يأتي الثقب الأسود الصغير من مسافات طويلة ، يدور حول NS ثم ينتقل إلى “اللانهاية” مرة أخرى (أي ، تشتت) حدث). اعتمادًا على المدار المحدد (التقاط أو تشتت) ، يتم إنشاء إشارة مميزة وفريدة من نوعها.

في الرسم المتحرك التالي ، يتم عرض وصف تفصيلي لحدث التشتت:

تسمى الإشارة المذكورة أعلاه انفجار أشعة جاما (GRB) ، على الأرجح ، أحد أكثر الأحداث نشاطًا في الكون.

نوع خاص من GRB

تدوم هذه الانبعاثات العابرة عالية الطاقة من ميلي ثانية إلى عدة ساعات وتقع مصادرها على بعد مليارات السنين الضوئية من الأرض. يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة على شكل حزم ضيقة جدًا.

تحدث انفجارات GRB الأقصر بسبب اندماج النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء ، بينما يرجع أصل الانفجارات الأطول إلى موت النجوم الضخمة (ما يسمى بالمستعرات الأعظمية).

في حالتنا الخاصة ، تبلغ مدة GRB حوالي 35 ثانية ، مع حالة محددة للغاية: انبعاث سلس ومستدام ، يليه انخفاض مفاجئ وسريع في بضع مئات من الثانية فقط.

الكشف عن الحجم الذري لـ PBH: مهمة مستحيلة؟

ليس من السهل الإجابة عن هذا السؤال ، نظرًا لتعقيد البحث عن مثل هذه الثقوب السوداء الصغيرة.

ومع ذلك ، إذا تم قياس هذا النوع من GRB بواسطة التلسكوبات الحديثة (وتطابق التوقيع المحدد المذكور في هذا البحث) ، فيمكن القول بأن تفاعلًا قديمًا بين النجمين النيوترونيين حدث في الكون المبكر.

بعبارة أخرى ، سيوفر دليلًا تجريبيًا على مثل هذه الثقوب السوداء البدائية منخفضة الكتلة ، وهو أحد التنبؤات الأساسية لستيفن هوكينج.

لن تكون مهمة سهلة (ربما ، قد لا يتم العثور على مثل هذه GRBs مطلقًا) ولكن لا يمكننا استبعاد مثل هذا الاحتمال تمامًا: الوقت وحده هو الذي سيخبرنا.