دانشمندان احتمالا معمای سیاه‌چاله‌های گمشده جهان را حل کرده‌اند

مطالعه‌ای تازه نشان می‌دهد که جهان اولیه، سیاه‌چاله‌های مینیاتوری بسیار کمتری از آنچه قبلا تصور می‌شد، داشته است و به‌این‌ترتیب راز منشأ ماده‌ی گمشده‌ی جهان پیچیده‌تر خواهد شد.

سیاه‌چاله‌های مینیاتوری یا آغازین (PBH-ها)، به سیاه‌چاله‌هایی گفته می‌شود که در کسری از ثانیه پس از بیگ‌بنگ شکل گرفتند. بر اساس نظریه‌های پیشگام، این تکینگی‌های در ابعاد سکه دراثر فروپاشی سریع مناطق گاز‌ی ضخیم و داغ شکل گرفتند.

سیاه‌چاله‌های آغازین یا اجرام فضازمانی با چگالی بی‌نهایت یکی از کاندیدهای فیزیک‌دان‌ها برای توجیه ماده تاریک اسرارآمیز بوده‌اند که کاملا نامرئی است، اما باعث می‌شود جهان سنگین‌تر از آن چیزی باشد که با ماده‌ی مرئی به نظر می‌آید.

با این‌حال گرچه فرضیه‌ی سیاه‌چاله‌های آغازین محبوب است، یک مشکل اساسی دارد: ما هنوز به‌صورت مستقیم نتوانستیم یکی از این سیاه‌چاله‌ها را رصد کنیم. پژوهش جدید به علت این مسئله اشاره می‌کند و مسئله‌ی ماده‌ی تاریک را در حدس و گمان‌های بیشتری فرو می‌برد.

بر اساس پژوهش‌ها، جهان کنونی با تعداد کمتری سیاه‌چاله‌ی آغازین نسبت به تخمین‌ها و مدل‌های قبلی شکل‌ گرفته است. پژوهشگرها یافته‌هایشان را ۲۹ می در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر کردند. به گفته‌ی جیسون کریستیایو، دانشجوی فیزیک نظری دانشگاه توکیو و مؤلف ارشد این پژوهش:

بسیاری از پژوهشگرها احساس می‌کنند سیاه‌چاله‌های آغازین کاندیدی قوی برای ماده‌ی تاریک به شمار می‌روند، اما تعداد زیادی از آن‌ها برای انطباق با این نظریه لازم هستند. آن‌ها در واقع به دلایل دیگری جذاب‌‌اند. از زمان ابداع‌های جدید در زمینه‌ی نجوم موج گرانشی، اکتشافات زیادی درباره‌ی ادغام‌های سیاه‌چاله‌ای به دست آمدند که می‌توانند در صورت وجود، تعداد زیاد سیاه‌چاله‌های آغازین را تشخیص دهند؛ اما با وجود استدلال‌های قوی برای فراوانی قابل انتظار آن‌ها، هنوز هیچ‌کدام از این سیاه‌چاله‌ها را به روش مستقیم رصد نکرده‌ایم و حالا مدلی داریم که می‌تواند دلیل این مسئله را نشان دهد.

جهان حدود ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش با بیگ‌بنگ آغاز شد و از آن زمان کیهان جوان با نیرویی اسرارآمیزی و نامرئی به نام انرژی تاریک به سرعت منبسط شد. با رشد جهان، ماده‌ی معمولی که با نور برهم‌کنش دارد در اطراف توده‌های ماده‌ی تاریک نامرئی به ثبات رسید و اولین کهکشان‌ها تشکیل شدند. در نهایت ماده‌ی تاریک مانند تار و پود وسیع کیهانی کهکشان‌ها را به یکدیگر وصل کرد.

امروزه کیهان‌شناس‌ها تصور می‌کنند ماده معمولی، ماده تاریک و انرژی تاریک به ترتیب ۵ درصد، ۲۵ درصد و ۷۰ درصد از کل ترکیب جهان را تشکیل می‌دهند. در ابتدا جهان پلاسمایی غیرشفاف بود که هیچ نوری نمی‌توانست بدون اینکه به دام میدان‌های الکترومغناطیسی تولیدشده از بارهای متحرک بیفتد، آن را بپیماید. بااین‌حال پس از ۳۸۰ هزار سال سرد شدن و انبساط، پلاسما درنهایت با ماده خنثی ترکیب شد و جریانی از ریزموج را منتشر کرد که اولین نور جهان بود و امروزه با عنوان تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB) شناخته می‌شود.

کیهان‌شناسان با بررسی تصویر جهان نوزاد (بالا) در جستجوی اولین سیاه‌چاله‌ها بوده‌اند، با این‌حال تاکنون به نتیجه‌ای نرسیده‌اند. به باور برخی فیزیک‌دان‌ها این احتمال وجود دارد که تعداد سیاه‌چاله‌های آغازین برای توجیه فرضیه‌ی ماده تاریک کافی نباشند، زیرا هنوز چگونگی آشکارسازی آن‌ها را هم نمی‌دانیم.

پژوهشگرها با پیاده‌سازی مدلی مبتنی بر شکل پیشرفته‌ای از مکانیک کوانتوم به نام نظریه‌ی میدان کوانتومی، به نتیجه‌ای متفاوت رسیدند. آن‌ها متوجه شدند به این دلیل نمی‌توان سیاه‌چاله‌های آغازین را کشف کرد که اغلب آن‌ها در واقع وجود ندارند.

بر اساس نظریه‌ها، سیاه‌چاله‌های آغازین حاصل فروپاشی موج‌های گرانشی کوتاه اما قوی بوده‌اند که در کل جهان نوسان کردند. پژوهشگرها با پیاده‌سازی مدل آن‌ها بر این موج‌ها متوجه شدند که تعداد کمتری از این موج‌ها نسبت به تخمین‌های موجود با یکدیگر ترکیب می‌شوند تا ساختارهای بزرگ‌تر جهان را شکل دهند. هرچقدر تعداد امواج لازم برای بازسازی این تصویر کمتر باشند، تعداد سیاه‌چاله‌های آغازین هم کمتر می‌شوند. به گفته‌ی کریستیانو:

بر اساس باوری گسترده، فروپاشی طول موج‌های کوتاه اما قوی در جهان آغازین عامل شکل‌گیری سیاه‌چاله‌های آغازین بوده است. پژوهش ما نشان می‌دهد تعداد کمتری از این سیاه‌چاله‌ها تشکیل شده‌اند و این تعداد برای درنظر گرفتن این اجرام به عنوان کاندید قوی ماده تاریک یا رویدادهای موج گرانشی کافی نیست.

پژوهشگرها برای اثبات نظریه‌ی خود به آشکارسازهای فوق حساس موج گرانشی مثل پروژه‌ی آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری (LISA) چشم دوخته‌اند که قرار است در سال ۲۰۳۵ برفراز موشک آریان به فضا پرتاب شود.