احتمال مشاهده انفجار سیاه‌چاله باستانی در دهه آینده: کلیدی برای درک ماده تاریک

دانشمندان در یک پژوهش نظری پیشگامانه اعلام کرده‌اند که بشر ممکن است در طول دهه آینده، برای نخستین بار شاهد انفجار یک سیاه‌چاله باستانی باشد. این رویداد کیهانی نادر، در صورت وقوع، نه تنها وجود سیاه‌چاله‌های نخستین را اثبات می‌کند، بلکه دریچه‌ای بی‌سابقه برای درک ماهیت اسرارآمیز ماده تاریک می‌گشاید و افق‌های جدیدی را در علم کیهان‌شناسی پیش روی ما قرار می‌دهد.

مکانیسم انفجار سیاه‌چاله‌ها: تابش هاوکینگ

سیاه‌چاله‌ها در گذر زمان جرم و انرژی خود را از دست می‌دهند. این فرآیند از طریق پدیده‌ای به نام تابش هاوکینگ رخ می‌دهد. هرچه سیاه‌چاله کوچک‌تر باشد، تابش بیشتری گسیل می‌کند و در نتیجه داغ‌تر می‌شود. سرانجام، این روند به نقطه‌ای می‌رسد که سیاه‌چاله در یک انفجار عظیم ناپدید می‌شود. پرسش کلیدی این است که آیا می‌توان انفجار یک سیاه‌چاله را مشاهده کرد؟ پاسخ شاید مثبت باشد، به شرط آنکه مجموعه‌ای از شرایط خاص فراهم شود. در آن صورت، ابزارهای علمی کنونی این توانایی را دارند که چنین رویدادی را در یک دهه آینده ثبت کنند.

سیاه‌چاله‌های نخستین: کاندیداهای اصلی انفجار

سیاه‌چاله‌های نخستین (PBH) نقطه‌ی آغاز این جست‌وجو به شمار می‌آیند. این اجرام کیهانی بلافاصله پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند و هرچند تاکنون چندین فرضیه درباره‌ی وجود آن‌ها مطرح شده، شواهد قطعی برای اثباتشان در دست نیست. اگر این سیاه‌چاله‌ها واقعاً وجود داشته باشند، بیشترین احتمال انفجار نیز به آن‌ها مربوط است؛ زیرا ابعاد کوچکی دارند و نزدیک به ۱۴ میلیارد سال زمان کافی برای تبخیر داشته‌اند.

اگر سیاه‌چاله‌ها وجود داشته باشند، بیشترین احتمال انفجار به آن‌ها مربوط است.

آندریا تام، دانشیار فیزیک در دانشگاه ماساچوست امهرست و نویسنده‌ی همکار پژوهش، توضیح می‌دهد: «هرچه سیاه‌چاله سبک‌تر باشد، داغ‌تر خواهد بود و ذرات بیشتری منتشر می‌کند. سیاه‌چاله‌های نخستین هنگام تبخیر پیوسته سبک‌تر و داغ‌تر می‌شوند و با تابش بیشتر، این فرآیند به شکلی شتاب‌گیرنده ادامه می‌یابد تا در نهایت به انفجار برسد. همین تابش هاوکینگ است که تلسکوپ‌های کنونی توانایی شناسایی آن را دارند.»

ماده تاریک: کلید افزایش نرخ انفجار

سیاه‌چاله‌ی نخستین فرضی و استاندارد، به‌تنهایی چندان امیدی برای مشاهده انفجار فراهم نمی‌کند. براساس برآوردهای نظری، چنین رویدادی تنها به‌طور میانگین هر صدهزار سال یک‌بار رخ می‌دهد که زمانی بسیار طولانی برای انتظار است. پژوهشگران در جست‌وجوی راهی برای افزایش بسامد این انفجارها، به سناریوهای تازه‌ای اندیشیدند و به ایده‌ای جالب دست یافتند که با یکی از بزرگ‌ترین معماهای کیهان ارتباط دارد: ماده تاریک.

ماهیت اسرارآمیز ماده تاریک

ماده تاریک عنصری فرضی است که سراسر جهان را دربرگرفته است. شواهد زیادی بر وجود آن دلالت دارد، اما ماهیت دقیقش همچنان ناشناخته باقی مانده است. این ماده تنها از راه گرانش بر جهان اثر می‌گذارد و به همین دلیل به‌طور مستقیم مشاهده نمی‌شود. برخی مطالعات پیشنهاد داده‌اند همان‌طور که در ماده معمولی نیروها و ذرات گوناگون وجود دارند، ماده تاریک نیز ممکن است بخش معادل و ناشناخته‌ای داشته باشد.

سیاه‌چاله‌های نخستین با بار الکتریکی تاریک

از دیدگاه نظری، سیاه‌چاله‌ها می‌توانند دارای بار الکتریکی باشند. پژوهش تازه پیشنهاد می‌کند که سیاه‌چاله‌های نخستین به‌جای بار الکتریکی معمولی، دارای بار الکتریکی تاریک هستند. در این حالت، برهم‌کنش آن‌ها از طریق «فوتون تاریک» انجام می‌شود؛ همان‌طور که فوتون‌های معمولی واسطه‌ی نیروی الکترومغناطیسی شناخته‌شده‌اند. همچنین، این برهم‌کنش می‌تواند شامل باری ناشی از یک «الکترون تاریک» سنگین باشد.

اگر جمعیتی از چنین سیاه‌چاله‌های فرضی در جهان وجود داشته باشند، نرخ انفجار آن‌ها دیگر یک‌بار در هر صدهزار سال نخواهد بود، بلکه به حدود یک‌بار در هر دهه می‌رسد. اهمیت این موضوع در آن است که انفجار چنین سیاه‌چاله‌هایی با ابزارهای کنونی رویت‌پذیر است و می‌تواند ویژگی‌هایی از جهان را آشکار کند که هیچ راه دیگری برای آزمودنشان وجود ندارد.

قابلیت رصد با تلسکوپ‌های کنونی

یاکین ایگواز خوان، پژوهشگر پسادکتری فیزیک در دانشگاه ماساچوست امهرست، توضیح می‌دهد:

ما می‌دانیم چگونه تابش هاوکینگ را رصد کنیم. با نسل فعلی تلسکوپ‌ها می‌توانیم آن را ببینیم و چون تنها سیاه‌چاله‌هایی که امروز یا در آینده نزدیک توانایی انفجار دارند همین سیاه‌چاله‌های نخستین هستند، اگر تابش هاوکینگ مشاهده شود، بدین معنی است که ما در حال تماشای انفجار یک سیاه‌چاله نخستین هستیم.

مطالعات نظری درباره‌ی آنچه ممکن است در کیهان وجود داشته باشد، اهمیت فراوانی دارند، زیرا مسیر جست‌وجوی سیگنال‌های درست را آشکار می‌کنند. افزون‌بر این، کیهان سرشار از غافلگیری است و حتی اگر آنچه را انتظار داریم نیابیم، احتمال دارد به کشف پدیده‌ای غیرمنتظره دست پیدا کنیم.

این مطالعه در نشریه Physical Review Letters گزارش شده است.