5 دقیقه
تحلیل نظری جدیدی از پژوهشگرانی در دانشگاه ماساچوست امهرست نشان می‌دهد که تقریباً ۹۰٪ احتمال دارد اخترشناسان در دههٔ آینده یک انفجار سیاه‌چاله را مشاهده کنند. این مقاله پیشنهاد میکند که این فوران‌ها، تبخیر نهایی و خشونت‌آمیز سیاهچالههای اولیه (PBHها) باشند — بازماندگان فرضی با جرم در حد سیارک که در لحظات اولیه پس از مه‌بانگ شکل گرفته‌اند. آشکارسازی چنین رویدادی، شاهدی مستقیم برای تابش هاوکینگ فراهم میکند، وجود جمعیتی از سیاهچالههای کوچک را تأیید میکند و نمونه‌ای بی‌سابقه از ذرات سازندهٔ جهان را در اختیار می‌گذارد، از جمله نامزدهای مادهٔ تاریک و احتمالاً گونه‌های ذره‌ای ناشناخته.
زمینهٔ علمی: تابش هاوکینگ و سیاهچالههای اولیه
ایدهٔ اینکه سیاهچالهها میتوانند ذراتی از خود ساطع کنند، اولین بار در سال ۱۹۷۴ توسط استیون هاوکینگ مطرح شد. بر اساس نظریهٔ میدان کوانتومی در فضازمان خمیده، سیاهچالهها باید ماده و انرژی تابش کنند — فرایندی که اکنون به‌عنوان تابش هاوکینگ شناخته میشود. برای سیاهچالههای بزرگ این نشر بسیار کند است، اما برای سیاهچالههای بسیار کوچک تابش با کاهش جرم تشدید می‌یابد و تبخیر شتاب‌گیرنده‌ای ایجاد میکند که در یک فوران سریع به اوج می‌رسد.
سیاهچالههای اولیه یک کلاس نظری متمایز هستند: به‌جای شکل‌گیری از فروپاشی ستارهای، آنها می‌توانستند از نوسانات چگالی شدید در کسری از ثانیهٔ نخستین جهان تراکم یابند. جرمهای مورد انتظار آنها بسیار کمتر از سیاهچالههای ستارهای است — نزدیک به جرم سیارک‌ها تا خورشیدها — که عمرهای کوتاه‌تری دارند و تبخیر نهایی‌شان ممکن است امروز قابل مشاهده باشد.
تعدیلات مدل و نرخ پیش‌بینی‌شدهٔ انفجارها
تیم دانشگاه ماساچوست امهرست برآوردهای پیشین را بازنگری کرد که قرار می‌دادند انفجارهای قابل‌تشخیص PBHها به‌طور متوسط هر ~100,000 سال رخ دهد. با وارد کردن بسطهای محتملی از مدل استاندارد فیزیک ذرات و بررسی حالات بار الکتریکی جایگزین برای PBHها، آنها سناریوهایی یافتند که در آنها انفجارهای قابل رصد بسیار پرتکرارتر‌اند — در حد یک بار در دهه در محدودهٔ آشکارسازی تلسکوپ‌های گاما کنونی.
یکی از تغییرات کلیدی در چندین شبیه‌سازی آنها، وارد کردن ذرهٔ فرضی سنگین‌تر و باردار است که گاه «الکترون تاریک» نامیده میشود. اگر چنین ذراتی وجود داشته باشند و بتوانند توسط یک PBH گرفتار شوند، میتوانند بار الکتریکی عجیب و غریبی به سیاه‌چاله ببخشند. آن بار دینامیک تبخیر را تغییر می‌دهد: تابش هاوکینگ می‌تواند در حالی که PBH این بار را حفظ میکند سرکوب یا به تأخیر افتد و پایداری موقتی ایجاد کند. وقتی این پایداری پایان می‌یابد، تبخیر با شتاب ادامه می‌یابد و یک انفجار نهایی رخ می‌دهد که در رصدخانه‌های پرانرژی قابل‌تشخیص است.
مکانیزم و قابل‌مشاهده‌بودن
هرچه یک سیاه‌چاله داغ‌تر شود، گونه‌های بیشتری و با انرژی بالاتری از ذرات را می‌تواند ساطع کند. در انفجار پایانی، طیف باید شامل تمامی ذرات بنیادی مجاز توسط چارچوب فیزیک ذرات در آن محدودهٔ انرژی باشد. این یعنی نه تنها ذرات آشنا مانند الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترینوها، بلکه هر گونه ذرهٔ سنگین‌تر یا با برهم‌کنش ضعیف — از جمله نامزدهای محتمل مادهٔ تاریک — و حتی احتمالاً ذرات کاملاً جدید.
بر اساس مدلهای محققان، ابزارهای فعلی گاما میتوانند چنین رویدادی را تقریباً هر ده سال یک‌بار کشف کنند. یک کشف تأییدشده به‌طور همزمان PBHها را به‌عنوان یک جمعیت اخترفیزیکی تأیید کرده و نخستین شواهد مشاهده‌ای مستقیم تابش هاوکینگ را فراهم خواهد کرد.
پیامدها برای اخترفیزیک و فیزیک ذرات
مشاهدهٔ انفجار یک PBH تحول‌آفرین خواهد بود. این امر یک آزمایشگاه مستقیم برای تولید ذرات پرانرژی در محدوده‌ای فراهم میکند که شتاب‌دهنده‌های زمینی به آن دسترسی ندارند، مدلهای کیهان‌شناسی دوران اولیهٔ جهان را محدود میکند و به مشخص‌تر شدن خواص مادهٔ تاریک کمک خواهد کرد. علاوه بر این، یک فوران کشف‌شده امکان اندازه‌گیری طیف ذرات ساطع‌شده را فراهم می‌آورد که به آزمایش بسطهای مدل استاندارد که حالت‌های باردار سنگین یا برهم‌کنش‌های نو را پیشبینی می‌کنند، کمک می‌نماید.
این مطالعه تأکید میکند که حتی عدممشاهده در طول دههٔ آینده نیز اطلاعات ارزشمندی ارائه می‌دهد: چنین نتیجهای محدودیت‌های قوی بر فراوانی PBHها و بر ویژگیهای هر ذرهٔ فرضی باردار در بخش تاریک اعمال خواهد کرد.
دیدگاه کارشناس
دکتر النا رویز، اخترفیزیک‌دان ارشد و متخصص ابزارهای تلسکوپ‌های گاما، می‌گوید: «افق مشاهدهٔ انفجار PBH هیجان‌انگیز است زیرا کیهان‌شناسی، نظریهٔ کوانتوم و اخترفیزیک پرانرژی را به هم پیوند می‌دهد. رصدخانه‌های پرتو گاما و آشکارسازهای ذرات اکنون بهتر از همیشه‌اند — جست‌وجوهای هماهنگ و پیگیری سریع حداکثر بازدهٔ علمی را در صورت ظاهر شدن یک فوران نامزد تضمین میکند.»
نتیجه‌گیری
اگر مدلهای تعدیل‌شدهٔ تیم دانشگاه ماساچوست امهرست درست باشند، دههٔ پیشِ رو ممکن است نخستین مشاهدهٔ مستقیم تبخیر نهایی یک سیاهچالهٔ اولیه را به همراه داشته باشد. چنین کشفی پیشبینی هاوکینگ را تأیید کرده، وجود یک جمعیت جدید از سیاهچالهها از جهان اولیه را مستندسازی میکند و پنجره‌ای به محتوای کامل ذره‌ای طبیعت می‌گشاید — از ذرات شناخته‌شدهٔ مدل استاندارد تا نامزدهای مادهٔ تاریک و احتمالاً گونه‌های پیش‌بینی‌نشده. چه کشف رخ دهد و چه نتیجهٔ قوی عدم‌یافتن، هر دو درک ما از کیهان‌شناسی و فیزیک بنیادی را به‌طور قابل‌توجهی تیزتر خواهند کرد.
منبع: sciencealert
نظرات