انفجار سیاه‌چاله‌های باستانی: کلید درک ماده تاریک در دهه آینده؟

راز سیاه‌چاله‌های نخستین و تابش هاوکینگ

سیاه‌چاله‌ها، این اجرام کیهانی مرموز، 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. این روند در نهایت به نقطه‌ای می‌رسد که سیاه‌چاله در یک انفجار عظیم ناپدید می‌شود.

سیاه‌چاله‌های نخستین (PBH)، اجرام کیهانی هستند که بلافاصله پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند. هرچند تاکنون فرضیه‌های متعددی درباره وجود آن‌ها مطرح شده، شواهد قطعی 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.

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. بر اساس 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.

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 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 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.

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.»

اهمیت مطالعات نظری و کشف‌های غیرمنتظره

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 مهم در نشریه Physical Review Letters گزارش شده است.