هل يعج الكون بالثقوب السوداء الصغيرة؟

الثقوب السوداء غريبة. لقد سمعتها هنا أولاً.

لكنها في الحقيقة أكثر غرابة مما يدركه معظمنا. إنهم يشوهون الفضاء. إنهم يتشوهون وقت. يمكنهم الدوران بسرعة كبيرة لدرجة أنهم يلتفون حول نسيج الزمكان مثل بطانية دافئة في يوم شتوي. على الرغم من أنها تسحب كل شيء من حولها بجشع، إلا أنها المحركات التي تشغل بعض الأجسام الأكثر إضاءة في الكون بأكمله.

ومع ذلك، إذا تراجعت ونظرت قليلاً، فستجد أن مهمة صنع واحدة بسيطة للغاية: فقط قم بضغط ما يكفي من المادة في حجم صغير بما فيه الكفاية. وأثناء قيامك بذلك، تصبح جاذبية الجسم الناتج أقوى وأقوى حتى تتساوى سرعة الهروب في النهاية مع سرعة الضوء، أي أسرع شيء يمكن أن يتحرك عبر الفضاء. عند هذه النقطة، كل ما يقع فيه لا يمكن أن يخرج أبدًا، وفويلا! الثقب الأسود.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

في عالم اليوم، لا توجد طرق كثيرة للقيام بذلك. الطريقة الكلاسيكية هي تفجير نجم ضخم في نهاية حياته. تنفجر الطبقات الخارجية على شكل مستعر أعظم، لكن قلب النجم ينهار، وإذا كان ضخمًا بدرجة كافية (حوالي ثلاثة أضعاف كتلة الشمس)، فإنه ينهار على طول الطريق إلى أسفل، ليصبح ثقبًا أسودًا.

ربما أكون قد تخطيت بضع خطوات هنا، ولكن هذه هي الصورة العامة. هناك طرق أخرى لصنع آلات الأكل الطائشة أيضًا، بما في ذلك تحطيم النجوم النيوترونية معًا، والسماح لثقبين أسودين بالاندماج في ثقب أسود أكبر (على الرغم من أنني أعتبر هذا غشًا في روح هذه المناقشة)، أو، في اليوم السابق منذ حوالي 12 مليار سنة، دفق المادة إلى مكان واحد عبر تأثير المادة المظلمة وتركها تتراكم بما يكفي لتكوين ثقب أسود هائل بشكل مباشر، والذي ينمو من هناك. لا يزال علماء الفلك يتجادلون حول هذه الطريقة الأخيرة.

ولكن في جداً في بداية الكون – وأعني “جدًا” – كانت هناك طريقة أخرى ممكنة لتصنيع هذه الوحوش.

نحن نعلم أن الكون يتوسع، ويسحب معه المجرات. وهذا يعني أنه إذا قمت بإرجاع عقارب الساعة إلى الوراء، فسوف ترى الفضاء يصغر والمجرات تقترب من بعضها البعض في الماضي. إذا عدت إلى الوراء بما فيه الكفاية، قبل أن تتشكل المجرات، وحتى قبل أن تتشكل المادة الطبيعية التي نراها حولنا الآن، فإن الكون كان كثيفًا جدًا. لقد كان عبارة عن حساء سميك من الجسيمات دون الذرية والطاقة، يزداد كثافة كلما نظرنا إلى الوراء.

في أول جزء صغير من الثانية بعد بدء هذا التوسع، كانت الكثافة أعلى بكثير مما هي عليه في قلوب النجوم، وأعلى من النجوم النيوترونية – في الواقع، قريبة جدًا مما هو مطلوب لإنشاء ثقب أسود! أي تقلب قوي في كثافة المادة التي تشكل الكون عند تلك النقطة يمكن أن يخلق منطقة صغيرة شديدة الكثافة، أو جيبًا صغيرًا من المادة الإضافية، والتي يمكن أن تنهار بعد ذلك لتشكل ما يسمى بالثقب الأسود البدائي (أو PBH). هناك عدة طرق نظرية يمكن أن تنشأ بها هذه البقع الممتلئة، ولكن في النهاية، ما يتم إنشاؤه هو ثقب أسود.

على عكس الثقوب السوداء التي تتشكل اليوم، والتي تبلغ كتلتها الحد الأدنى ثلاثة شمس، يمكن أن يكون لهذه الثقوب السوداء الأولى نطاق واسع للغاية من الكتل، من بضعة أجزاء من المليون من الجرام (أقل بكثير من كتلة البعوض) إلى كتل ضخمة مثل الثقوب السوداء الهائلة التي نراها الآن.

مع العلم أن هذا كله نظري. لم يتم حتى الآن اكتشاف أي ثقب أسود بدائي بشكل لا لبس فيه. ومع ذلك، فهي ممتعة للتفكير فيها.

على سبيل المثال، أحجامها مثيرة للدهشة. يعتمد أفق حدث الثقب الأسود – نقطة اللاعودة – في الغالب على كتلته. القاعدة الأساسية هي أن قطرها يبلغ حوالي ستة كيلومترات مقابل كتلة كل شمس؛ سيكون للثقب الأسود الصغير ذو الكتلة النجمية أفق حدث يبلغ عرضه حوالي 18 كم.

ومع ذلك، فمن الممكن أنه في تلك الأجزاء المبكرة من الفيمتو ثانية من وجود الكون، تشكل ثقب أسود بدائي له كتلة الأرض فقط. إذا كان الأمر كذلك، فسيكون عرض أفق الحدث أقل بقليل من سنتيمترين، أي بحجم حبة العنب! فكر في ذلك الذي – التي في المرة القادمة التي تتناول فيها الفاكهة من متجر البقالة المحلي.

ولكن كان من الممكن إنشاء كائنات أصغر بكثير أيضًا. ستكون كتلة البعوض PBH 3 × 10 فقط^-33 حجم المتر: حجم البروتون حوالي مليار مليار مرات أكبر. مثل هذا الجسم سيكون غريبًا إلى أقصى الحدود؛ يمكن أن تمر عبر مادة صلبة دون أن تلمس ذرة واحدة على الإطلاق، وعلى الرغم من أن مجال جاذبيتها سيكون منتزعًا بشكل لا يصدق، فإن القوة تموت مع المسافة بسرعة كبيرة لدرجة أن كتلة البعوض PBH هذه قد لا تقترب أبدًا بدرجة كافية من جزء آخر من المادة لجذبها! في الواقع، سيكون معزولاً عن الكثير، الكثير، كثيراً الكون الأكبر.

وحتى لو تم إنشاء هذه الثقوب السوداء الضخمة، فقد يكون معظمها قد اختفى الآن. وهذا بسبب فكرة غريبة حتى بالنسبة للثقوب السوداء: لديهم درجة الحرارة. حسنًا، نوعًا ما، في السبعينيات بدأ الفيزيائيون في اكتشاف التأثيرات المعقدة بشكل يبعث على السخرية لميكانيكا الكم على الثقوب السوداء واكتشفوا أن جاذبيتها شديدة جدًا لدرجة أن لها تأثيرًا غير متوقع على الزمكان. تتسبب ميكانيكا الكم بشكل أساسي في قيام ثقب أسود بإصدار طاقة على شكل ضوء خارج أفق الحدث مباشرةً. وهذا ما يسمى بإشعاع هوكينج، نسبة إلى ستيفن هوكينج، الذي قام بحسابات درجة الحرارة لأول مرة.

إن تأثير الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية ضئيل للغاية ولكنه يحدث بالفعل أكبر للثقوب السوداء الأقل ضخامة. وهذا يعني أن أصغر PBHs ستكون الأكثر سخونة، مما يعني أنها تبعث أكبر عدد من الفوتونات. يجب أن تأتي هذه الطاقة من مكان ما، ومصدرها هو كتلة الثقب الأسود نفسه. لأن الطاقة تطير بعيدا، وهذا يعني يجب أن يفقد الثقب الأسود كتلته. يسمي علماء الفيزياء الفلكية هذا التبخر، لكنه ليس كذلك تمامًا نفس الماء المغلي يختفي في البخار.

(نعم، هذا يتعارض تمامًا مع فكرة أنه بمجرد سقوط شيء ما في الثقب الأسود، فإنه يبقى هناك للاحتفاظ به، ولكن اتضح أنه عندما يتعلق الأمر بميكانيكا الكم، فإن الثقوب السوداء ليست مثل لاس فيغاس).

هناك المزيد أيضًا. ونظرًا لأن الثقب الأسود يفقد كتلته، فإنه ينتهي به الأمر إلى إصدار إشعاعات أسرع فأسرع أثناء قيامه بذلك. وتزداد هذه الحلقة المفرغة حتى يتم إطلاق الطاقة بشكل أساسي في انفجار. البوب! ذهب.

من الممكن حساب المدة التي يستغرقها ذلك، وقد يتبين أن أي PBH كتلته أقل من مليار طن تقريبًا قد تبخر بالفعل مع مرور عمر الكون. وهذا يعادل تقريبًا جبلًا يبلغ ارتفاعه حوالي 750 مترًا، على الرغم من أن الثقب الأسود بهذه الكتلة سيكون أقل من جزء من تريليون من السنتيمتر، أي أصغر بكثير من ذرة الهيدروجين.

هل يمكننا اكتشاف مثل هذا الانفجار التبخيري الكارثي لـ PBH؟ من الناحية النظرية، نعم، لأن الإشعاع المنبعث في المللي ثانية القليلة الأخيرة سيكون على شكل أشعة غاما عالية الطاقة للغاية. من المحتمل أن يتمكن تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لناسا من اكتشاف هذه الانفجارات الشديدة، لكنه (حتى الآن) لم يعثر على أي منها.

كما تم اعتبار PBHs مكونًا محتملاً للمادة المظلمة، وهي المادة غير المرئية التي تتخلل الكون والتي تفوق المادة العادية بعامل يبلغ خمسة أضعاف. هذا أمر مثير للجدل إلى حد كبير، ويتجادل الفيزيائيون حول مدى ضخامة هذه الانفجارات ومقدار المادة المظلمة التي ستشكلها، ولكن لم يتم التوصل إلى نتيجة بعد.

لا نعرف ما إذا كانت هذه الثقوب السوداء الأولى موجودة بالفعل أم أنها وجدت على الإطلاق، لكنه موضوع رائع، حتى مع ارتفاع المستوى الذي حددته الثقوب السوداء “العادية” – إذا كنت تستطيع التفكير أي شئ حول الثقوب السوداء العادية.