سیاهچاله های کوچک می توانند در داخل سیارک ها، قمرها یا حتی سیاراتی مانند سیاره ما پنهان شوند

سیاهچاله های اولیه کوچک (PBHs) یکی از موضوعات داغ در نجوم و کیهان شناسی امروزه هستند. اعتقاد بر این است که این سیاه‌چاله‌های فرضی بلافاصله پس از انفجار بزرگ شکل گرفته‌اند که ناشی از حفره‌هایی از ماده زیراتمی آنقدر متراکم است که دچار فروپاشی گرانشی شده‌اند.

در حال حاضر، PBH ها کاندیدای ماده تاریک، منبع احتمالی امواج گرانشی اولیه و حل مشکلات مختلف در فیزیک هستند. با این حال، هیچ نامزد قطعی PBH تا کنون مشاهده نشده است، که منجر به پیشنهاداتی برای چگونگی پیدا کردن این سیاهچاله های مینیاتوری شده است.

تحقیقات اخیر نشان داده است که ستاره های نوترونی و کوتوله دنباله اصلی ممکن است حاوی PBH های کوچکی در داخل خود باشند که به آرامی منبع گاز آنها را مصرف می کنند.

در یک مطالعه اخیر، تیمی از فیزیکدانان این ایده را گسترش دادند تا راه جدیدی برای شناسایی بالقوه PBH ها در بر گیرد. اساساً، ما می‌توانیم در داخل اجسامی مانند سیارات و سیارک‌ها جستجو کنیم یا از صفحات یا صفحات فلزی بزرگ برای شناسایی PBH برای نشانه‌هایی از عبور آنها استفاده کنیم.

با شناسایی میکروکانال هایی که این اجسام از خود می گذارند، دانشمندان سرانجام می توانند وجود PBH ها را تایید کنند و برخی از بزرگترین اسرار کیهان شناسی امروز را روشن کنند.

این تحقیق توسط دی چانگ دای، فیزیکدان دانشگاه ملی دونگ هوا در تایوان و مرکز آموزش و تحقیقات کیهان‌شناسی و اخترفیزیک (CERCA) در دانشگاه کیس وسترن رزرو، و دژان استویکوویچ، فیزیکدان از گروه فیزیک انرژی بالا و کیهان‌شناسی دانشگاه ایالتی نیویورک بوفالو انجام شده است.

مقاله‌ای که جزئیات یافته‌های آنها را نشان می‌دهد اخیراً در فضای مجازی منتشر شد و برای انتشار در مجله Physics of the Dark Universe در حال بررسی است.

از زمانی که دانشمندان روسی ایگور د. نوویکوف و یاکوف زلدوویچ در سال ۱۳۴۴ وجود آنها را پیش بینی کردند، دهه ها مجذوب PBH ها شده اند. آنها همچنین منبع علاقه استیون هاوکینگ بودند که کارش روی PBH ها منجر به کشف موفقیت آمیز او در سال ۱۳۵۲ شد که سیاهچاله ها می توانند با گذشت زمان تبخیر شود.

در حالی که تبخیر سیاهچاله‌های بزرگتر و میانی نسبت به سن کنونی کیهان (حدود ۱۳.۸ میلیارد سال) بیشتر طول می‌کشد، اما PBH‌های کوچک‌تر ممکن است قبلاً یا در حال انجام این کار باشند.

با این حال، علاقه به PBH ها در سال های اخیر تجدید حیات را تجربه کرده است زیرا آنها به عنوان کاندید ماده تاریک، منبع امواج گرانشی اولیه (GWs) و غیره هستند. مانند ماده تاریک، وجود آنها می تواند به حل برخی از اسرار بزرگ کیهان شناسی کمک کند، اما هنوز هیچ مشاهدات تایید شده ای انجام نشده است.

همانطور که De-Chang و Stojkovic گفتند، این چیزی است که آنها را برانگیخت تا روش‌های تشخیص جدید را پیشنهاد کنند:

اگر یک سیارک، یا یک ماه، یا یک سیاره کوچک (سیاره ای) دارای یک هسته مایع باشد که توسط یک پوسته جامد احاطه شده است، یک PBH کوچک هسته مایع متراکم را نسبتاً سریع (در عرض چند هفته تا چند ماه) مصرف می کند. پوسته دست نخورده باقی می ماند. اگر ماده به اندازه کافی قوی باشد که تنش گرانشی را تحمل کند.

بنابراین، ما با یک ساختار توخالی روبرو خواهیم شد. اگر سیاهچاله مرکزی به بیرون پرتاب شود (به دلیل برخورد با اجسام دیگر)، چگالی آن کمتر از چگالی معمول یک جسم سنگی با هسته مایع خواهد بود.

علاوه بر این، De-Chang و Stojkovic تنش گرانشی PBH های کوچک را محاسبه کردند. آنها سپس این را با مقاومت فشاری موادی که پوسته سیاره را تشکیل می‌دهند – مانند کانی‌های سیلیکات (سنگ)، آهن و سایر عناصر مقایسه کردند. آنها همچنین قوی ترین مواد ساخته شده مانند نانولوله های کربنی چند جداره را در نظر گرفتند.

Stojkovic گفت: برای مثال، ما دریافتیم که گرانیت می تواند ساختارهای توخالی را تا شعاع ۱/۱۰ شعاع زمین پشتیبانی کند. به همین دلیل است که ما باید روی سیاره‌نماها، قمرها یا سیارک‌ها تمرکز کنیم.

این محاسبات ابزاری برای جستجوی شواهدی از PBH ها در فضا و اینجا روی زمین ارائه می دهد. سیاره‌نماها، قمرها یا سیارک‌های نامزد احتمالی را می‌توان با مشاهده جرم و شعاع آنها در منظومه شمسی شناسایی کرد تا تخمینی از چگالی آنها ارائه شود.

این امر به اخترشناسان اجازه می دهد تا اجرام توخالی بالقوه را برای مطالعات بعدی توسط کاوشگرها، فرودگرها و دیگر ماموریت های فضایی روباتیک شناسایی کنند. از طرف دیگر، آنها توصیه می کنند که حسگرهایی ساخته شوند تا با تشخیص عبور PBH ها را جستجو کنند. استویکوویچ گفت:

اگر یک PBH کوچک از مقداری ماده جامد عبور کند، یک تونل طولانی مستقیم با شعاع PBH باقی می‌گذارد. برای مثال، یک PBH با جرم ۱۰²³ گرم باید از تونلی با شعاع ۰.۱ میکرون عبور کند. [انرژی‌ها] که چنین PBH می‌تواند قابل توجه باشد، اما [انرژی] که آنها به مواد منتقل می‌کنند بسیار کم است. در واقع، چنین PBH حتی می‌تواند از بدن انسان عبور کند و ما حتی متوجه نمی‌شویم زیرا بافت بدن انسان بسیار کم تنش است.

در این راستا، دانشمندان می‌توانند تونل‌های کوچک را در مواد معمولی که در اطراف آن قرار دارند (مانند شیشه یا سنگ) اسکن کنند. در همان زمان، De-Chang و Stojkovic می گویند، صفحات بزرگی از فلز صیقلی را می توان برای این منظور تهیه کرد. مشابه تشخیص نوترینو، این صفحات باید جداسازی شوند تا هر گونه تغییر ناگهانی در خواص آنها ثبت شود.

Stojkovic گفت: ‘شار مورد انتظار از این PBH ها بسیار اندک است و ممکن است در نهایت چیزی پیدا نکنیم، اما نتیجه احتمالی یافتن PBH ها بسیار زیاد خواهد بود، به خصوص که چنین آزمایش هایی بسیار ارزان خواهند بود.’

همانطور که دی چانگ اضافه کرد، در سال های اخیر پیشنهاد شده است که برخی از سیاهچاله های اولیه ممکن است در ستارگان پنهان باشند. استیون هاوکینگ زمانی این ایده را مطرح کرد که مبنای دو مطالعه شد، یکی در سال ۱۳۹۷ و دیگری در سال گذشته منتشر شد.

دی چانگ گفت: ‘همچنین پیشنهاد شده است که سیاهچاله های اولیه ممکن است پرتوهای گاما را ساطع کنند. پرتوهای گامای قوی در هاله ماده تاریک راه شیری می تواند نشانه خوبی برای وجود سیاهچاله های اولیه باشد.’

میکرولنزینگ گرانشی می تواند راه دیگری برای شناسایی سیاهچاله های اولیه باشد.