یک سیاهچاله «اولیه» ممکن است هر دهه در منظومه شمسی ما بزرگ شود

اگر سیاهچاله های زیادی در آنجا وجود داشته باشد، مطمئناً برخی از آنها باید هر از چند گاهی از حیاط خلوت ما عبور کنند.

یک مطالعه جدید نشان می دهد که اگر سیاهچاله های میکروسکوپی کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ وجود داشته باشند، همانطور که برخی محققان گمان می کنند، حداقل ممکن است در هر دهه یک سیاهچاله در منظومه شمسی پرواز کند و اعوجاج های گرانشی کوچکی ایجاد کند که دانشمندان می توانند آنها را تشخیص دهند.

این یافته‌ها نشان می‌دهد که اگر اخترشناسان بتوانند وجود چنین اختلالات گرانشی را کشف و تأیید کنند، ممکن است بتوانند رمز و راز ماهیت ماده تاریک را حل کنند؛ ماده‌ای غیبی که بسیاری از محققان گمان می‌کنند حدود پنج ششم از کل مواد موجود در کیهان را تشکیل می‌دهد.

بسیاری از محققان پیشنهاد می کنند که ماده تاریک ممکن است از ذرات ناشناخته تشکیل شده باشد، اما هیچ آزمایشی تا به امروز ذرات جدیدی را کشف نکرده است که ممکن است ماده تاریک باشند. به این ترتیب، یکی از جایگزین‌هایی که دانشمندان برای توضیح ماده تاریک در حال بررسی آن هستند، سیاهچاله‌های به اصطلاح اولیه هستند، سیاهچاله‌هایی که از سپیده‌دم وجود داشته‌اند.

تحقیقات قبلی نشان می دهد که حدود ۸۶ درصد از ماده در جهان از یک ماده اساسا نامرئی به نام ماده تاریک تشکیل شده است. دانشمندان وجود ماده تاریک را از اثرات گرانشی آن بر روی ماده و نور روزمره استنباط می کنند، اما در حال حاضر مشخص نیست که از چه چیزی ساخته شده است.

سیاهچاله‌ها نام خود را از کشش گرانشی عظیم خود گرفته‌اند که آنقدر قوی هستند که حتی نور نیز نمی‌تواند از آن فرار کند. اگر یک سیاهچاله وجود خود را از بین نبرد – به عنوان مثال، با شکافتن یک ستاره – ممکن است در برابر سیاهی فضا ناشناخته بماند.

در طول دهه‌ها، اخترشناسان بسیاری از سیاه‌چاله‌ها را کشف کرده‌اند، از سیاه‌چاله‌هایی با جرم ستاره‌ای که معمولاً حدود پنج تا ۱۰ برابر جرم خورشید هستند تا سیاه‌چاله‌های بسیار پرجرم با جرم میلیون‌ها تا میلیاردها خورشید. در مقابل، مطالعه جدید سیاهچاله های اولیه را مورد بررسی قرار داد، که تحقیقات قبلی نشان می دهد که ممکن است فقط جرم یک سیارک معمولی باشد – یعنی حدود ۱۱۰ میلیارد تا ۱۱۰ میلیون میلیارد تن (۱۰۰ میلیارد تا ۱۰۰ میلیون میلیارد تن).

سارا گلر، فیزیکدان نظری در دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز، یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: ‘سیاهچاله هایی که ما در کار خود در نظر می گیریم حداقل ۱۰ میلیارد بار سبک تر از خورشید هستند و اندازه آنها به سختی از اتم هیدروژن بزرگتر است.’

سیاهچاله ها زمانی به وجود می آیند که جسمی چنان متراکم باشد که تحت نیروی گرانش خود فرو می ریزد. کار قبلی نشان می‌دهد که اندکی پس از انفجار بزرگ، قبل از اینکه کیهان از نظر اندازه بسیار منبسط شود، نوسانات تصادفی در چگالی ماده در کیهان تازه متولد شده باعث شد که برخی توده‌ها به اندازه کافی متراکم شوند تا سیاهچاله‌ها را تشکیل دهند.

تحقیقات قبلی نشان می‌دهد که سیاه‌چاله‌های اولیه که تا به امروز باقی مانده‌اند، می‌توانند بیشتر یا تمام ماده تاریک را تشکیل دهند. بر اساس این کار، مطالعه جدید بررسی کرد که چگونه سیاهچاله های اولیه ممکن است در منظومه شمسی پرواز کنند و اینکه آیا ممکن است اثراتی را ایجاد کنند که دانشمندان بتوانند روی اجرام مرئی تشخیص دهند.

گلر می‌گوید: اگر سیاهچاله‌های زیادی در آنجا وجود داشته باشد، مطمئناً برخی از آنها باید هر از چند گاهی از حیاط خلوت ما عبور کنند.

گلر گفت: در ابتدا محققان ‘به این فکر کردند که اگر سیاهچاله ای از پوسته زمین برخورد کند یا از جو ما عبور کند یا دهانه ای روی ماه بگذارد چه اتفاقی می افتد.’ ما حتی از خود پرسیدیم که اگر یکی از این سیاهچاله های کوچک به انسان برخورد کند چه اتفاقی می افتد.

با این حال، گلر توضیح داد: ‘هر یک از این ایده ها با مشکل مشابهی روبرو شدند.’ یک فرد، ماه یا حتی زمین یک هدف بسیار کوچک در وسعت فضا هستند و احتمال برخورد مستقیم یک سیاهچاله به آنها ناچیز است.

در عوض، گلر گفت: آنچه که ما نیاز داشتیم، سیستمی بود که به اندازه کافی بزرگ بود تا سیاهچاله‌ها به طور منظم از کنار آن عبور کنند، اما به اندازه کافی اندازه‌گیری شده بود که بتوانیم اثری را ببینیم. در آن زمان بود که ما شروع کردیم به فکر کردن در مورد مدارهای بسیار دقیق اندازه گیری شده اجرام در منظومه شمسی. در اصل، کشش گرانشی یک سیاهچاله اولیه «می‌تواند در مدار اجرام منظومه شمسی تاب‌هایی ایجاد کند که به اندازه کافی بزرگ هستند که بتوانیم آن‌ها را اندازه‌گیری کنیم».

دانشمندان در نهایت بر روی سیاهچاله های اولیه که در نزدیکی سیارات درونی منظومه شمسی – عطارد، زهره، زمین و مریخ پرواز می کردند، تمرکز کردند. آنها دریافتند که اگر سیاهچاله های اولیه وجود داشته باشند، ممکن است به اندازه کافی فراوان باشند که حداقل یکی از آنها در هر دهه یک بار در کنار جهان های درونی پرواز کند. آنها افزودند که از زمانی که فناوری‌هایی که قادر به تشخیص چنین اختلالاتی هستند، ممکن است قبلاً چندین پرواز رخ داده باشد.

گلر هشدار داد که ‘ما هیچ یک از ادعاهای زیر را مطرح نمی کنیم – اینکه سیاهچاله های اولیه قطعا وجود دارند، آنها بیشتر یا تمام ماده تاریک را تشکیل می دهند؛ یا اینکه آنها قطعا در منظومه شمسی ما هستند.’ در عوض، آنها می گویند که اگر سیاهچاله های اولیه وجود داشته باشند و بیشتر ماده تاریک را تشکیل می دهند، ‘پس باید هر یک تا ۱۰ سال یک بار در منظومه شمسی داخلی سفر کرد.’

دانشمندان همچنین خاطرنشان کردند که یافته‌های آنها مبتنی بر شبیه‌سازی‌های کامپیوتری نسبتاً ساده است که دقت لازم برای تجزیه و تحلیل داده‌های واقعی در مورد مدارهای درونی منظومه شمسی را ندارد.

بنجامین لمان، یکی از نویسندگان این مطالعه، فیزیکدان نظری در MIT، گفت: برای بیان اظهارات قطعی، باید با همکارانی که در مدل‌سازی منظومه شمسی با روش‌های محاسباتی بسیار پیچیده‌تر تخصص دارند، کار کنیم. او افزود که آنها همچنین باید به دقت مشخص کنند که چه چیزی ممکن است یک سیگنال واقعی از یک سیاهچاله اولیه باشد و چه چیزی ممکن است به سادگی در محدوده خطای مورد انتظار از هر اندازه گیری قرار گیرد.

اکنون دانشمندان در حال بحث در مورد امکان همکاری با گروه شبیه سازی منظومه شمسی در رصدخانه پاریس برای تجزیه و تحلیل داده های مداری موجود هستند. Lehmann گفت: ‘آنها برخی از برجسته ترین متخصصان در روش های شبیه سازی پیچیده هستند که برای تحقق بخشیدن به این تجزیه و تحلیل مورد نیاز است.’ هنگامی که یک مدل کامل ایجاد کردیم که بتوان از آن برای جستجو در داده های واقعی استفاده کرد، باید بررسی کنیم که چه مشاهدات بعدی برای هر سیگنالی که ممکن است ثبت کنیم مناسب تر است.

گلر هشدار داد که این رویکرد جستجوی سیاه‌چاله‌های اولیه از طریق اثرات گرانشی آن‌ها «برای تمایز بین سیاه‌چاله اولیه و برخی شی‌های غیرمعمول دیگر با جرم مشابه کاملاً کافی نیست». او خاطرنشان کرد که اگر این استراتژی یک سیاهچاله اولیه بالقوه را شناسایی کند، ‘ما می توانیم مشاهدات بعدی را برای رد احتمالات دیگر آغاز کنیم. ستاره شناسان در واقع به طرز شگفت انگیزی در یافتن اجرام حتی سبک تر در منظومه شمسی ما مانند سیارک های کوچک خوب هستند. در حالی که رصد مستقیم یک سیاهچاله کوچک با تلسکوپ به احتمال زیاد هیچ چیز را نشان نمی دهد.’

دانشمندان جزئیات یافته های خود را در ۲۷شهریور در مجله Physical Review D بیان کردند.