10 دقیقه
سیاهچالههای اولیه (Primordial black holes) گونهای نظری از سیاهچالهها هستند که فرض میشود در نخستین لحظات پس از انفجار بزرگ بهوجود آمدهاند. در تخیل عمومی گاهی این اجرام شبیه گلولههای کوچک کیهانی به نظر میرسند که با سرعت از فضا عبور میکنند، اما پرسش عملی مهم این است که آیا احتمال دارد یکی از آنها به یک انسان برخورد کند یا حتی از داخل زمین عبور نماید؟ پاسخ کوتاه و عملی این است: بهشدت غیرمحتمل و از نظر خطر مستقیم برای انسان تقریباً صفر است، اما برای درک کامل باید به مفاهیم جرم، اندازه، فراوانی و خواص فیزیکی آنها نگاه دقیقتری بیندازیم.
سیاهچالههای اولیه چیستند و چرا دانشمندان آنها را بررسی میکنند
سیاهچالههای اولیه بهصورت نظری میتوانند حاصل نوسانات چگالی بسیار شدید در کسری از ثانیه بعد از بیگبنگ باشند، نه نتیجهی فروریزی ستارهای مانند سیاهچالههایی که امروز در کهکشانها میبینیم. اگر چنین اجرامی وجود داشته باشند، بازهٔ جرم آنها میتواند بسیار وسیع باشد: از مقیاسهای میکروسکوپی (ترکیبی از جرم پلانک به بالا) تا اندازهٔ اجرامی هماندازهٔ سیارکها یا حتی بزرگتر. همین بازهٔ جرم تعیین میکند که آنها چگونه رفتار میکنند، چه اثرات گرانشی و تابشی دارند و در نتیجه چقدر میتوانند خطرآفرین باشند.
علاقهٔ علمی به سیاهچالههای اولیه به چند دلیل است: اول، آنها میتوانند پنجرهای به فیزیک دورهٔ بسیار اولیهٔ کیهان و فرایندهای پرآمپلیتود در آشفتگیهای کوانتومی فراهم کنند؛ دوم، در برخی سناریوها آنها میتوانند بخشی از مادهٔ تاریک را تشکیل دهند، که یک مسئلهٔ باز بزرگ در اخترفیزیک و کیهانشناسی است؛ و سوم، بررسی وجود یا عدم وجود آنها با استفاده از دادههای رصدی (مانند تابش پسزمینهٔ ریزموجی کیهانی، میکرولنزینگ گرانشی، پسزمینهٔ پرتو گاما و مشاهدات گرانشموج) میتواند محدودیتهای قوی روی مدلهای نظری اولیه اعمال کند.
نکتهٔ کلیدی این است که بسیاری از ابزارهای رصدی معاصر ـ از جمله بررسیهای میکرولنزینگ (OGLE، EROS، MACHO)، دادههای CMB، اندازهگیری پسزمینهٔ پرتو گاما و آشکارسازهای گرانشموج مانند LIGO/Virgo ـ محدودههای مختلف جرم را تحت فشار قرار دادهاند. بهعنوان مثال، برای بازههای جرم خاصی، فراوانی سیاهچالههای اولیه به حدی محدود شده که نمیتوانند همهٔ مادهٔ تاریک را تشکیل دهند. همچنین مدلهایی مانند تابش هاوکینگ (Hawking radiation) برای سیاهچالههای با جرم بسیار کم پیشبینیهایی دارند که با دادههای پرتوی گاما و پسزمینهٔ کیهانی قابل سنجش است. در نتیجه، بررسی سیاهچالههای اولیه ترکیبی از نظریهٔ میدانهای کوانتومی، کیهانشناسی ابتدایی و تحلیلهای دادهای از رصدهای مدرن است؛ این ویژگیها باعث میشود موضوعی جذاب برای تحقیق و بهینهسازیِ مدلها باشد.
اندازه اهمیت دارد: شرح یک برخورد نزدیک
اگر فرض کنیم یک سیاهچالهٔ اولیه با جرم بزرگ — مثلاً جرم معادل یک سیارک یا بیشتر — در فضا وجود داشته باشد و بهصورت گذرا از نزدیکی یک انسان، یک ساختمان یا حتی یک شهر عبور کند، پیامدها میتوانند ویرانگر باشند. سیاهچالههای بزرگ دارای شعاع شوارتزشیل (Schwarzschild radius) نسبت به جرمشان هستند و گرانش بسیار شدیدی را در اطراف خود متمرکز میکنند؛ اگر فاصلهٔ نزدیک باشد، نیروهای جزر و مدی (tidal forces) میتوانند اجسام را متلاشی کنند و مادهٔ آسمانی یا خاک و سنگ را به سوی خود جذب نمایند. در این حالت اثر بهنوعی مشابه برخورد یک گلولهٔ انرژیدار یا عبور یک جسم بسیار متراکم با نیروی کششی فوقالعاده است.
برای درک بهتر باید توجه کرد که خطر واقعی وابسته به مقیاس جرم و نزدیکی گذر است. یک سیاهچاله با جرم چندین برابر جرم یک سیارک میتواند شعاع گرانشی و نیروی جزر و مدی قابلتوجّهی ایجاد کند، در حالی که اجرامی با جرم کمتر از مقدار مشخصی شعاعی بسیار کوچک (حتی میکروسکوپی) خواهند داشت و اثرات آنها روی مقیاس انسانی تقریباً نادیدنی خواهد بود. علاوه بر این، احتمال عبور دقیقاً از داخل یک انسان یا از نقطهای روی زمین مستلزم دو عامل است: توزیع فضایی و چگالی عددی این سیاهچالهها در کهکشان یا فضای بینستارهای، و توزیع سرعت و مسیرهای آنها نسبت به زمین.
از منظر محاسباتی، اگر چگالی عددی سیاهچالههای اولیه را بسیار پایین در نظر بگیریم، نرخ برخورد یا گذرِ نزدیک به زمین حتی در مقیاس میلیاردها سال نیز تقریباً صفر خواهد بود. شبیهسازیهای آماری و برآوردهای تخمینی مبتنی بر محدودیتهای رصدی فعلی نشان میدهد که برای جرمهایی که میتوانند تهدید مستقیم ایجاد کنند، فراوانی آنها باید بسیار کم باشد تا با رصدهای میکرولنزینگ و تأثیرات گرانشی مشاهدهشده توافق داشته باشد. بنابراین از منظر عددی و عملی، احتمال یک برخورد مستقیم با موجود زنده یا ساختمان در مقیاس زمانی تمدن انسانی تقریباً صفر است.
اجرام کوچک عمدتاً بیخطر (و نادر)
در سوی دیگر طیف، سیاهچالههای اولیه میتوانند آنقدر کمجرم باشند که شعاع گرانشیشان به مراتب کوچکتر از اندازهٔ اتم یا مولکول باشد. چنین اجرامی از دیدگاه تعامل مستقیم با بدن یا اشیاء روزمره بیخطر هستند؛ در عوض بر اساس نظریهٔ تابش هاوکینگ، سیاهچالههای بسیار کوچک میتوانند تابش کنند و بهمرور تبخیر شوند. اگر جرم آنها زیر آستانهٔ مشخصی باشد، زمان تبخیرشان به قدری کوتاه میشود که قبل از رسیدن به ما یا قبل از تعامل گسترده در فضا از بین میروند.
با این حال نکتهٔ اساسی مربوط به چگالی عددی و توزیع فضایی این اجرام است: برآوردهای کنونی از روی مشاهدات مستقیم و غیرمستقیم نشان میدهد که چگالی فضا-زمانی سیاهچالههای اولیه در بازههای جرم حساس به رصد (چه کوچک و چه بزرگ) بسیار پایین است. جستجوهای میکرولنزینگ که عبور اجرام سنگین را از مقابل ستارگان پسزمینه میسنجند، و اندازهگیریهای پسزمینهٔ پرتو گاما که میتواند اثرات تابشی هاوکینگ را آشکار سازد، هر دو محدودیتهایی را تحمیل کردهاند. بهعلاوه، اگر تعداد زیادی سیاهچالهٔ کوچک وجود داشت، توزیع انرژی تابشهای حاصل از تبخیر آنها میتوانست بر پسزمینهٔ گاما یا سایر طیفهای تابشی تأثیر بگذارد؛ عدم مشاهدهٔ چنین اثراتی به معنی فراوانی بسیار پایین است.
در حالت خلاصه، حتی اگر یک سیاهچالهٔ بسیار کوچک از بدن شما عبور کند، به دلیل شعاع بسیار کوچک و نیروهای سطحی محدود و نیز احتمال بسیار کم وجود چنین اجرامی در حوالی ما، هیچ اثر قابلتوجهی بر سلامتی یا ساختار جسمی شما نخواهد داشت. بنابراین برای قرنها و هزاران سال از منظر عملیاتی، چنین سناریویی در ردهٔ تهدیدهای غیرواقعی قرار میگیرد؛ این نکته در تحلیل خطر سیاهچالههای اولیه و سیاستگذاری علمی نیز مدنظر قرار میگیرد.
چرا بازهٔ زمانیِ کیهانشناختی تفاوت ایجاد میکند
حتی اگر سیاهچالههای اولیه در ابتدای پیدایش کیهان شکل گرفته باشند، احتمال اینکه یکی از آنها در طول عمر کوتاهِ تمدن انسانی یا حتی در طول عمر زمین دقیقا از مسیر یک فرد عبور کند، عملاً صفر است. در مقیاسهای زمانی کیهانی (میلیاردها سال) رخدادهای نادری قابل تصوراند و توزیع اتفاقات میان میلیاردها ستاره و میلیاردها سال کاملاً متفاوت از بازهٔ زمانی چند هزار یا چند میلیون سالهٔ بشریت است. به عبارت دیگر، رویدادهای نادر در یک بازهٔ طولانی احتمال وقوع دارند اما برای یک بازهٔ کوتاه مانند عمر تمدن ما بهقدری نادر هستند که اثربخشیشان بر برنامهریزی انسانی و ارزیابی خطر عملاً ناچیز است.
علاوه بر این، محققانی مانند شِرِرِر (Scherrer) و دیگران اشاره کردهاند که حتی اگر مدلهای نظری امکانپذیری سیاهچالههای اولیه را نشان دهند، این امکان لزوماً به معنای وجود تعداد معناداری از آنها در کیهان واقعی نیست. محدودیتهای مشاهداتی و شواهد غیابِ اثر در طیفهای مختلف رصدی میتواند نشان دهد که این اجرام یا بسیار نادرند یا اصلاً به تعداد معنیداری شکل نگرفتهاند. بدین ترتیب، از منظر احتمالشناسی و آمار نجومی، تعامل مستقیم سیاهچالههای اولیه با انسانها در طول تاریخ کوتاه بشریت امری غیرقابلانتظار است.
برای درک بهتر میتوان از نگاه آماری استفاده کرد: اگر نرخ عبور یک سیاهچالهٔ خاص از حجم معینی از فضا یک بار در میلیاردها سال باشد، احتمال عبور در بازهٔ چند دهه یا حتی چند میلیون سال بهشدت نزدیک به صفر است. بنابراین در سناریوی تحلیل ریسک، سیاهچالههای اولیه جزو تهدیدهای با احتمال وقوع پایین و تأثیر بالا نیستند؛ علت این است که احتمال وقوع آنقدر کم است که حتی در صورت تأثیر بالقوهٔ بالا، در تصمیمگیریها و اولویتگذاریهای علمی و حفاظتی به شکل قابلتوجهی لحاظ نمیشوند.
نکات کلیدی برای خوانندگان
- سیاهچالههای اولیه یک ایدهٔ نظری معتبر در کیهانشناسی و اخترفیزیک هستند؛ بررسی آنها به درک فیزیک کیهانِ آغازین کمک میکند و میتواند اطلاعاتی دربارهٔ مادّهٔ تاریک، نوسانات کوانتومی و فرآیندهای پس از بیگبنگ ارائه دهد.
- اگر جرم سیاهچالهٔ اولیه بزرگ باشد، یک برخورد مستقیم یا گذر بسیار نزدیک میتواند عواقب ویرانگری داشته باشد، اما چنین اجرامی در صورتی که وجود داشته باشند، با توجه به محدودیتهای رصدی فعلی، بسیار کمشمار خواهند بود؛ بنابراین خطر عملی برای انسانها صفر یا تقریباً صفر است.
- سیاهچالههای اولیه با جرم بسیار کوچک اغلب یا بهسرعت تبخیر میشوند (تابش هاوکینگ) یا اثرات آنها در مشاهدات پسزمینه و طیفهای رصدی ثبت میشود؛ از آنجا که چنین نشانههایی دیده نشدهاند، فراوانی آنها محدود است و احتمال برخورد انسانی عملاً ناچیز است.
در جمعبندی نهایی، سیاهچالههای اولیه موضوعی پژوهشی و نظری بسیار جذاب و مرتبط با پرسشهایی عمیق دربارهٔ آغاز کیهان و ماهیت مادهٔ تاریک هستند. با این وجود، برای مخاطب عادی و برای ارزیابی خطرات روزمره، امکان برخورد یک سیاهچالهٔ اولیه با یک انسان یا عبور آن از زمین آنقدر اندک است که نباید منبع نگرانی عملی قرار گیرد. پژوهشهای آینده با دادههای دقیقتر از رصدخانهها، آشکارسازهای گرانشموج و بررسیهای میکرولنزینگ میتواند دامنهٔ محدودیتها را کوچکتر کند یا نشانههایی از وجود این اجرام ارائه دهد؛ تا آن زمان، این پدیده در زمرهٔ نظریههای علمی جالب اما عملاً بیخطر برای انسانها باقی میماند.
منبع: sciencealert
نظرات
اتو_r
خودم تو پروژهای مربوط به میکرولنزینگ کار کردم، اینا دقیقاً همون محدودیتایی بود که دیدم، یادآوری خوب و واقعی بود
داNیکس
خیلی جذاب اما یه جاها کمی اطمینانشان زیاد نشون داده شده، بهتره احتمالات و عدم قطعیتها واضحتر باشن
آرمین
توضیحات خوب و منطقیه، خصوصاً مقایسه بازههای زمانی کیهانی؛ برای عموم آرامشبخش، ولی کنجکاوم ببینم دادههای آینده چی میگن
آستروسِت
خب واقعیته این محدودیتها؟ اگه سیاهچالههای بزرگ خیلی نادُرن پس چطور مطمئنیم مدلها اشتباه ندارن؟
رودایکس
وااای، واقعاً نمیدونستم احتمال برخورد انقدر نزدیک به صفره... جالب ولی گیجکننده، باید بیشتر بخونم
ارسال نظر