به ازای هر کیلوگرم ماده ای که می توانیم ببینیم – از کامپیوتر روی میز شما گرفته تا ستارگان و کهکشان های دور – 5 کیلوگرم ماده نامرئی در اطراف ما جاری است. این “ماده تاریک” موجودی اسرارآمیز است که از همه اشکال مشاهده مستقیم فرار می کند، اما حضور خود را از طریق جاذبه نامرئی اش به اجسام مرئی احساس می کند.
پنجاه سال پیش، استیون هاوکینگ، فیزیکدان، ایده ای در مورد اینکه ماده تاریک ممکن است چیست ارائه کرد: جمعیتی از سیاهچاله ها که ممکن است خیلی زود پس از انفجار بزرگ شکل گرفته باشند. چنین سیاهچاله های “اولیه”. جالوت هایی که امروز می یابیم نیستند، بلکه مناطق میکروسکوپی از ماده فوق متراکم هستند که در اولین کوئنتیلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ شکل گرفته و سپس فرو می ریزند و در فضا پراکنده می شوند و فضا-زمان اطراف را به روشی می کشانند. ماده تاریکی را که امروز می شناسیم توضیح دهید.
اکنون فیزیکدانان MIT دریافته‌اند که این فرآیند اولیه می‌تواند همراهان غیرمنتظره‌ای را نیز ایجاد کند: سیاهچالههای کوچکتر با مقادیر بی‌سابقه‌ای از ویژگی هسته‌ای-فیزیکی معروف به “بار رنگ”.
این سیاهچالههای کوچکترین و «شارژ فوق‌العاده» حالت کاملاً جدیدی از ماده خواهند بود که احتمالاً کسری از ثانیه پس از ظهورشان تبخیر شده‌اند. با این حال، آنها هنوز هم می توانند یک انتقال کلیدی کیهانی را تحت تأثیر قرار دهند: زمانی که اولین هسته های اتمی ساخته شدند. فیزیکدانان فرض می‌کنند که سیاهچالههای دارای بار رنگی می‌توانند بر تعادل هسته‌های در حال ادغام تأثیر بگذارند، به گونه‌ای که ستاره‌شناسان روزی با اندازه‌گیری‌های آینده آن را تشخیص دهند. چنین مشاهده ای به طور قطعی به سیاهچاله های اولیه به عنوان ریشه تمام ماده تاریک امروزی اشاره می کند.
دیوید کایزر، استاد تاریخ علم و پروفسور فیزیک ژرمشاوزن، می‌گوید: «اگرچه این موجودات عجیب و غریب که عمر کوتاهی دارند، امروز وجود ندارند، اما می‌توانستند تاریخ کیهانی را به شیوه‌هایی تحت تأثیر قرار دهند که می‌تواند در سیگنال‌های ظریف امروزی نشان داده شود. در MIT با این ایده که تمام ماده تاریک را می توان با سیاهچاله ها توضیح داد، چیزهای جدیدی به ما می دهد تا به دنبال آن باشیم.
قیصر و همکارش، دانشجوی فارغ التحصیل MIT، البا آلونسو-مونسالو، تحقیقات خود را امروز در مجله منتشر کردند. نامه معاینه فیزیکی.
زمان قبل از ستاره ها
سیاه‌چاله‌هایی که امروزه می‌شناسیم و کشف می‌کنیم محصول فروپاشی ستاره‌ای هستند، زمانی که مرکز یک ستاره عظیم به درون خود فرو می‌ریزد و ناحیه‌ای چنان متراکم تشکیل می‌دهد که می‌تواند فضازمان را خم کند تا همه چیز – حتی نور – در درونش گیر بیفتد. چنین سیاهچالههای «اخترفیزیکی» می‌توانند از چند برابر جرم خورشید تا میلیاردها بار بیشتر جرم داشته باشند.
در مقابل، سیاهچاله های «اولیه» می توانند بسیار کوچکتر باشند و تصور می شود که در زمانی قبل از ستاره ها شکل گرفته اند. قبل از اینکه کیهان عناصر اساسی را بپزد، چه برسد به ستارگان، دانشمندان بر این باورند که محفظه هایی از ماده اولیه فوق چگال ممکن است جمع شده و فروریخته و سیاهچاله های میکروسکوپی را تشکیل دهند که می توانند بسیار متراکم باشند و جرم یک سیارک را به یک منطقه فشرده کنند. به کوچکی یک اتم کشش گرانشی از این اجرام ریز و نامرئی پراکنده در سراسر جهان می تواند تمام ماده تاریکی را که امروزه نمی توانیم ببینیم توضیح دهد.
اگر اینطور بود، پس این سیاهچاله های اولیه از چه ساخته می شدند؟ این سوالی است که قیصر و آلونسو مونسالوه با مطالعه جدید خود به آن پرداختند.
کایزر توضیح می‌دهد: «مردم مطالعه کرده‌اند که توزیع جرم سیاه‌چاله‌ها در طول تولید جهان اولیه چگونه خواهد بود، اما هرگز به این موضوع ربط نداده‌اند که در زمان شکل‌گیری چه چیزهایی به درون این سیاه‌چاله‌ها رفته‌اند.»
کرگدن های فوق شارژ
فیزیکدانان MIT برای اولین بار به نظریه های موجود در مورد توزیع جرم احتمالی سیاهچاله ها در اولین شکل گیری آنها در کیهان اولیه نگاه کردند.
آلونسو-مونسالو می‌گوید: «درک ما این بود که رابطه مستقیمی بین زمان تشکیل سیاهچاله اولیه و جرم تشکیل آن وجود دارد. “و آن دوره زمانی به طرز مضحکی زود است.”
او و قیصر محاسبه کردند که سیاهچاله های اولیه باید در اولین کوئنتیلیونم ثانیه پس از انفجار بزرگ شکل گرفته باشند. این فلش زمان سیاهچاله های میکروسکوپی «معمولی» را ایجاد می کرد که به جرم یک سیارک و به کوچکی یک اتم بودند. این همچنین کسری از سیاهچالههای کوچکتر را با جرم کرگدن و اندازه بسیار کوچکتر از یک پروتون منفرد ایجاد می‌کند.
این سیاهچاله های اولیه از چه چیزی ساخته می شوند؟ برای انجام این کار، آنها به مطالعاتی روی آوردند که ترکیب جهان اولیه را بررسی می‌کردند، و به ویژه به نظریه کرومودینامیک کوانتومی (QCD) – مطالعه نحوه تعامل کوارک‌ها و گلوئون‌ها.
کوارک‌ها و گلوئون‌ها بلوک‌های ساختمانی اصلی پروتون‌ها و نوترون‌ها هستند – ذرات بنیادی که با هم ترکیب می‌شوند تا عناصر اصلی جدول تناوبی را ایجاد کنند. بلافاصله پس از انفجار بزرگ، فیزیکدانان بر اساس QCD محاسبه کردند که جهان یک پلاسمای بسیار داغ از کوارک ها و گلوئون ها است که سپس به سرعت سرد شده و برای تولید پروتون و نوترون ترکیب می شوند.
محققان دریافتند که در اولین کوئنتیلیونم ثانیه، جهان همچنان سوپ کوارک‌ها و گلوئون‌های آزاد خواهد بود که هنوز با هم ترکیب نشده‌اند. هر سیاه‌چاله‌ای که در آن زمان تشکیل می‌شد، ذرات ناپیوسته را همراه با یک ویژگی عجیب و غریب به نام «بار رنگ» جذب می‌کرد – حالتی از بار که فقط توسط کوارک‌ها و گلوئون‌های ترکیب نشده حمل می‌شد.
هنگامی که فهمیدیم این سیاهچاله ها در پلاسمای کوارک-گلوئون شکل می گیرند، مهم ترین چیزی که باید بفهمیم این بود که چه مقدار بار رنگی در حباب ماده وجود دارد که در نهایت به یک سیاهچاله اولیه ختم می شود؟ مونسالوه می گوید.
آنها با استفاده از نظریه QCD، توزیع بار رنگی را که باید در پلاسمای داغ اولیه وجود داشته باشد، بررسی کردند. سپس آنها این را با اندازه منطقه‌ای مقایسه کردند که در اولین کوئنتیلیونم ثانیه فرو می‌ریزد و سیاه‌چاله‌ای را تشکیل می‌دهد. به نظر می رسد که در آن زمان در اکثر سیاهچاله های معمولی بار رنگی زیادی وجود نداشته است، زیرا آنها با جذب تعداد زیادی از مناطقی که ترکیبی از بارها داشتند، تشکیل می شدند و در نهایت منجر به بار “خنثی” می شد.
اما کوچکترین سیاهچاله ها پر از بار رنگی خواهند بود. در واقع، طبق قوانین اساسی فیزیک، حداکثر مقدار بار مجاز برای یک سیاهچاله را در خود جای می دهند. در حالی که چنین سیاهچالههای «افراطی» برای دهه‌ها فرضیه شده‌اند، تا کنون هیچ‌کس فرآیند واقع‌بینانه‌ای را کشف نکرده است که از طریق آن چنین سیاه‌چاله‌هایی واقعاً در جهان ما شکل بگیرند.
سیاهچالههای سوپرشارژ به سرعت تبخیر می‌شوند، اما احتمالاً تا زمانی که اولین هسته‌های اتمی شروع به شکل‌گیری کردند، نه. دانشمندان تخمین می‌زنند که این فرآیند حدود یک ثانیه پس از انفجار بزرگ آغاز شد، که به سیاهچالههای شدید زمان کافی می‌داد تا شرایط تعادلی را که در زمان تشکیل اولین هسته‌ها حاکم می‌شد، بر هم بزنند. چنین آشفتگی‌هایی می‌توانند به‌طور بالقوه بر شکل‌گیری این هسته‌های اولیه به روش‌هایی تأثیر بگذارند که ممکن است روزی مشاهده شوند.
آلونسو-مونسالو استدلال می‌کند: «این اشیاء ممکن است آثار رصدی هیجان‌انگیزی از خود به جا گذاشته باشند. آنها می توانند تعادل بین این و آن را تغییر دهند، و این چیزی است که شما می توانید درباره آن تعجب کنید.
این تحقیق تا حدی توسط وزارت انرژی ایالات متحده حمایت شده است. Alonso-Monsalve همچنین توسط یک کمک هزینه تحصیلی از بخش فیزیک MIT پشتیبانی می شود.
