«تابش هاوکینگ» ممکن است سیاهچاله ها را پاک کند

سیاه‌چاله‌های اولیه (PBH) که تصور می‌شود بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند، ممکن است در حال گرم شدن و انفجار در سراسر جهان باشند.

فیزیکدانان در یک مطالعه جدید پیشنهاد می‌کنند که این انفجارهای سیاه‌چاله که توسط تشعشعات هاوکینگ نیرو می‌گیرند – یک فرآیند کوانتومی که در آن سیاه‌چاله‌ها به دلیل میدان‌های گرانشی شدیدشان ذرات را از خلاء تولید می‌کنند – می‌توانند توسط تلسکوپ‌های آینده شناسایی شوند. و پس از مشاهده، این انفجارهای عجیب و غریب می تواند نشان دهد که آیا جهان ما دارای ذرات ناشناخته قبلی است یا خیر.

سیاهچاله ها از سپیده دم زمان

در حال حاضر شواهد زیادی برای وجود سیاهچاله هایی وجود دارد که از چند برابر جرم خورشید تا میلیاردها برابر جرم خورشید را شامل می شود. این سیاه‌چاله‌ها مستقیماً از طریق امواج گرانشی که در طول ادغام از خود ساطع می‌کنند شناسایی شده‌اند که به رشد آنها کمک می‌کند. برخی از سیاهچاله‌ها، مانند Sagittarius A* کهکشان راه شیری، حتی مستقیماً به عنوان ‘سایه’ توسط تلسکوپ افق رویداد تصویربرداری شده‌اند.

ممکن است دوست داشته باشید

• سیاهچاله های بدوی می توانند نور را بر ماده تاریک بتابانند.
• این معمای فضایی پرتو گاما در نهایت با شبیه سازی های جدید سیاهچاله حل می شود.

به گفته ناسا، PBH ها که برای اولین بار توسط یاکوف زلدویچ و ایگور نوویکوف در سال ۱۳۴۶ پیشنهاد شدند، تصور می شود که در اولین کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ شکل گرفته اند و ممکن است به کوچکی ذرات زیر اتمی بوده باشند. برخلاف همتایان بزرگ‌تر خود که از فروپاشی ستارگان و کهکشان‌های پرجرم تشکیل می‌شوند، PBH‌ها ممکن است از فروپاشی مناطق فوق متراکم در «سوپ اولیه» بسیار داغ ذرات در کیهان اولیه پدید آمده باشند.

اگر وجود داشته باشند، این اجرام فشرده می توانند توضیحی طبیعی برای ماده تاریک، موجودی نامرئی که حدود ۸۵ درصد از ماده جهان را تشکیل می دهد، ارائه دهند. با این حال، PBH ها گریزان باقی می مانند. وجود نظری آنها توسط ترکیبی از مدل‌های کیهان‌شناختی پشتیبانی می‌شود، اما هنوز مستقیماً مشاهده نشده‌اند.

اثر تابش هاوکینگ

مارکو کالزا، فیزیکدان نظری در دانشگاه کویمبرا در پرتغال و یکی از نویسندگان این مطالعه، در ایمیلی به لایو ساینس گفت: ‘برای سیاهچاله هایی با جرم بیشتر از چند برابر خورشید، تشعشعات هاوکینگ تقریبا غیرقابل تشخیص است.’ . اما سیاه‌چاله‌های سبک‌تر – مانند PBHs – بسیار داغ‌تر هستند و تشعشعات بسیار بیشتری ساطع می‌کنند که به طور بالقوه به ما امکان می‌دهد این فرآیند را شناسایی کنیم. این تابش می‌تواند شامل ذرات مختلفی، از فوتون‌ها گرفته تا الکترون‌ها و نوترینوها باشد.

همانطور که PBH تبخیر می شود، جرم خود را از دست می دهد، داغ تر می شود و تشعشعات بیشتری را در یک حلقه بازخورد ساطع می کند. در نهایت، سیاهچاله باید در یک انفجار قدرتمند از تابش منفجر شود – فرآیندی که تلسکوپ های پرتو گاما و نوترینو موجود به طور فعال در جستجوی آن هستند. اگرچه هنوز هیچ انفجار قطعی PBH شناسایی نشده است، مطالعه جدید نشان می دهد که این رویدادهای نادر می توانند کلید باز کردن قفل فیزیک جدید باشند.

بررسی لحظات پایانی یک PBH

در مطالعه اخیر خود که در مجله فیزیک انرژی بالا منتشر شد، Calzà و یکی از نویسندگان مطالعه، João G. Rosa، همچنین فیزیکدان نظری در دانشگاه کویمبرا، روش‌های نوآورانه‌ای را برای مطالعه PBH در مراحل پایانی تبخیر معرفی کردند. این دو نفر با تجزیه و تحلیل خواص تشعشعات هاوکینگ، ابزارهایی برای تخمین جرم و اسپین PBH ایجاد کردند.

رزا در ایمیلی به Live Science گفت: ردیابی جرم و چرخش PBH در حین تبخیر می‌تواند سرنخ‌های ارزشمندی درباره شکل‌گیری و تکامل آن ارائه دهد.

کار آنها پیامدهای مهمی برای فیزیک بنیادی دارد. در مطالعه قبلی، رزا، کالزا و جان مارچ راسل از دانشگاه آکسفورد به بررسی این موضوع پرداختند که چگونه نظریه ریسمان – تلاشی برای متحد کردن نیروهای بنیادی طبیعت در یک نظریه کوانتومی منفرد – می‌تواند بر PBH در حال تبخیر تأثیر بگذارد. نظریه ریسمان وجود ذرات کم جرم متعددی به نام آکسیون را پیش بینی می کند که اسپین ذاتی ندارند. تحقیقات آنها نشان داد که بر خلاف پیش‌بینی‌های هاوکینگ، گسیل اکسیون در واقع می‌تواند یک PBH را افزایش دهد.

کالزا گفت: یک PBH در حال چرخش شواهد قانع‌کننده‌ای برای این آکسیون‌های عجیب و غریب فراهم می‌کند و به طور بالقوه درک ما از فیزیک ذرات را متحول می‌کند.

علاوه بر این، این مطالعه نشان می دهد که تجزیه و تحلیل تکامل جرم و چرخش PBH در لحظات پایانی آن می تواند وجود ذرات جدید دیگری را آشکار کند. با ردیابی طیف تابش هاوکینگ، دانشمندان ممکن است قادر به تمایز بین مدل‌های فیزیک ذرات با انرژی بالا باشند. تلسکوپ‌های نوترینو، مانند IceCube، حتی می‌توانند به کشف این ذرات جدید با انفجار PBH در فضا کمک کنند.

رزا گفت: ‘اگر بتوانیم فقط یک PBH در حال انفجار را بگیریم و تابش هاوکینگ آن را اندازه گیری کنیم، می توانیم مقدار زیادی در مورد ذرات جدید بیاموزیم و به طور بالقوه طراحی شتاب دهنده های ذرات آینده را راهنمایی کنیم.’

اگرچه هنوز هیچ انفجاری PBH شناسایی نشده است، ابزارها و روش های توسعه یافته توسط تیم Calzà و Rosa می تواند راه را برای اکتشافات آینده هموار کند. محققان تاکید کردند که آزمایش‌های اختصاصی ممکن است ضروری نباشد، زیرا چندین تلسکوپ جدید پرتو گاما و نوترینو با حساسیت بی‌سابقه‌ای در حال توسعه هستند.

رزا گفت: ‘تلسکوپ های آینده می توانند به راحتی یکی را در صورت انفجار در نزدیکی تشخیص دهند. اگر ما به اندازه کافی خوش شانس باشیم که یک PBH در حال انفجار را شناسایی کنیم، می تواند هر آنچه را که در مورد قوانین اساسی طبیعت می دانیم تغییر دهد.’