سیاه‌چاله‌های اولیه در اندازه اتمی: آنچه شواهد تجربی جدید نشان می‌دهد

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۲۱ سپتامبر ۲۰۲۱
لینک منبع Primordial Black Holes the Size of an Atom: What New Experimental Evidence Suggests

از زمان‌های قدیم، بشر می‌خواست غیرقابل‌پیش‌بینی ترین و آزار دهنده‌ترین پدیده در جهان را توضیح دهد. اگر چه مطالعه نجوم در همه تمدن‌ها ثابت بوده‌است، اما رویدادهای نجومی طبیعتی «غیرقابل‌پیش‌بینی»، مانند ستاره‌های دنباله‌دار یا خورشید گرفتگی‌ها، به عنوان «فال بد» و یا «اعمال خدایان» در نظر گرفته می‌شدند.

سقوط پادشاه ساکسون هارولد دوم در 1066، در طول حمله نورمن‌ها به ویلیام فاتح، به فال بد ناشی از عبور یک دنباله‌دار (بعداً "هالی" نامیده شد) نسبت داده شد. و در طول نبرد سیمانکاس (وایادولید، اسپانیا) بین نیروهای لئون رامیرو دوم و خلیفه اد الرحمن در سال 939، خورشید گرفتگی کامل باعث وحشت نیروهای دو طرف شد و نبرد را برای چند روز به تعویق انداخت.

پس اجداد ما چگونه به هستی در جهان اشیا -به اصطلاح سیاه‌چاله‌ها- که قادر به بلعیدن هر چیزی که در آن‌ها می‌افتاد، از جمله نور، واکنش نشان می‌دادند؟

در حالی که بزرگ‌ترین سیاهچاله‌ها قبلا شناسایی و حتی از آن‌ها عکس گرفته شده‌است، در حال حاضر شواهد عملی نیز وجود دارد-همانطور که در مطالعه اخیر نشان دادم-برای سیاهچاله های کوچک اندازه اتم‌های پتاسیم (با شعاع حدود ۲۳ / ۰ نانومتر، معادل ۲۳ / ۰ میلیارد متر). این سیاهچاله‌های اندازه اتمی در اولین لحظات بیگ بنگ شکل گرفتند و حتی ممکن است شامل کلیت ماده تاریک جهان باشند.

گرفتن عکس

در سال ۲۰۱۹، با هم‌کاری هشت تلسکوپ رادیویی واقع در نقاط مختلف جهان، اولین عکس از یک سیاهچاله عظیم (۶/۵ میلیارد برابر جرم خورشید) گرفته شد. این کهکشان حدود ۵۵ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد (یک سال نوری متناظر با فاصله حدود ۹.۵ تریلیون کیلومتر) در مرکز کهکشان مسیر ۸۷ قرار دارد.

حالت ایتالیک کلمه عکس تصادفی نیست: چطور می توان از یک شی که نور می‌گیرد عکس گرفت، و در نتیجه، دوربین که از نور برای ایجاد یک تصویر استفاده می‌کند نمی‌تواند آن را ببیند؟ پاسخ ساده است: ما خود شی را مشاهده نمی‌کنیم، بلکه بقایای ستاره‌ای است که توسط این سیاه‌چاله‌ها بلعیده می‌شود.

این ماده ستاره‌ای با سرعت زیادی در اطراف سیاهچاله می‌چرخد و وقتی به دمای یک میلیون درجه سانتیگراد می‌رسد، روشنایی آن را می‌توان تشخیص داد. دیسک ماده‌ای که سیاهچاله را احاطه کرده است "دیسک برافزایشی" نامیده می‌شود و لبه سیاهچاله محسوب می‌شود - پس از عبور از آن، هیچ چیز نمی‌تواند فرار کند، چیزی که ما آن را افق رویداد می‌نامیم.

در تصویر بالا می‌توانید دیسک انباشت و افق رویداد سیاه‌چاله واقع در M87 را ببینید.

سیاهچاله‌های اولیه

اجزای مهم سیاه‌چاله‌ها در جهان از فروپاشی گرانشی ستارگان که تمام سوخت خود را در مراحل پایانی مصرف می‌کنند، تشکیل شده‌اند: اینها سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای نامیده می‌شوند. همه ستاره‌ها در پایان عمر خود به سیاه‌چاله‌ها تبدیل نمی‌شوند؛ وقتی هسته یک ستاره کم‌تر از دو یا سه جرم خورشیدی باشد، سیاه‌چاله ستاره‌ای نمی‌تواند ایجاد شود.

یعنی حداقل جرم ستاره‌ای وجود دارد که در زیر آن یک ستاره نمی‌تواند به یک سیاهچاله سقوط کند. به عنوان مثال، خورشید ما هرگز در پایان عمرش تبدیل به یک سیاهچاله نخواهد شد، اما دیگر ستارگان پرجرم مانند غول سرخ بتلژوز به ناچار تبدیل به سیاهچاله خواهند شد.

همچنین سیاهچاله‌های دیگری به نام «اولیه» یا «بدوی» وجود دارند که -همانطور که از نامشان پیداست- در اولین لحظات انفجار بزرگ، زمانی که جهان برای اولین بار شروع شد، ایجاد شدند و می‌توانند به طور نظری هر جرمی را در اختیار داشته باشند. آن‌ها ممکن است اندازه خود را از یک ذره زیر اتمی تا چند صد کیلومتر تغییر دهند.

و وقتی صحبت از سیاهچاله‌ها می‌شود، ابر پرجرم عملا هیچ تابشی را از خود منتشر نمی‌کنند، در حالی که کوچک‌ترین آن‌ها بیش‌ترین تابش را منتشر می‌کنند. اما این پدیده چگونه ممکن است: سیاهچاله‌های عظیم که عملاً هیچ تابشی از خود ساطع نمی‌کنند و همه چیز، حتی نور را به دام می‌اندازند؟

این پاسخ توسط فیزیکدان استفان هاوکینگ در اواسط دهه ۱۹۷۰ ارائه شد. او فرض کرد که اثرات کوانتومی در نزدیکی افق رویداد یک سیاهچاله ممکن است باعث انتشار ذراتی شود که می‌توانند از آن فرار کنند. به عبارت دیگر سیاهچاله‌هایی که به هیچ وجه جرم نمی‌گیرند به تدریج جرم خود را از دست داده و در نهایت تبخیر می‌شوند.

این تابش هاوکینگ در سیاهچاله های با جرم کم بیشتر مشهود است: زمان تبخیر یک سیاهچاله ابر جرم خورشیدی ۱۰ * ۳۶ به قدرت ۹۱ ثانیه (بسیار طولانی‌تر از عصر کنونی جهان) است.

از سوی دیگر، یک سیاهچاله با جرم معادل یک کشتی ۱۰۰۰ تنی در حدود ۴۶ ثانیه تبخیر می‌شود.

در آخرین مراحل تبخیر یک سیاه‌چاله، آن‌ها منفجر می‌شوند و مقدار زیادی اشعه گاما تولید می‌کنند (تابش حتی شدیدتر از اشعه ایکس).

شکار یک سیاه‌چاله بسیار کوچک در اندازه اتمی

پس چگونه می‌توان سوراخ‌های اندازه اتمی را قبل از این که به طور کامل تبخیر شوند، مشاهده کرد؟

در مطالعه اخیر سیاهچاله‌هایی با اندازه اتمی، یک سناریوی اخترفیزیکی ارائه شده است که در آن یکی از این سیاهچاله‌های کوچک توسط یک ابرجرم اسیر می‌شود. با نزدیک شدن سیاهچاله به اندازه اتم به افق رویداد این ابرجرم، کسری از تابش هاوکینگ که ممکن است از زمین تشخیص داده شود به تدریج کاهش می‌یابد، تا زمانی که به اندازه یک پرتو نور برسد.

این پرتو با انفجار اشعه گامای حرارتی (GRB) که قبلاً در رصدخانه های نجومی اندازه‌گیری شده است، سازگار است. این GRB ها شواهدی تجربی برای چنین سیاهچاله‌های کوچکی هستند که کاندیدای جدی برای ماده تاریک یک جهان هنوز کشف نشده و جذاب هستند.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقالات علم فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.