ماذا لو كانت المادة المظلمة هي في الواقع ثقوب سوداء من كون آخر؟ : تنبيه العلوم

بحث جديد يشير إلى أن بقايا الثقوب السوداء من قبل الانفجار العظيم ربما لا تزال تشكل المجرات اليوم. يمكن أن تفسر هذه الثقوب السوداء المادة المظلمة، أحد أكبر الأسئلة التي لم يتم حلها في علم الكونيات.

بشكل عام، الثقوب السوداء هي مناطق من الزمكان حيث يتم ضغط المادة في مساحة صغيرة. المادة المظلمةوفي الوقت نفسه، هي مادة لا تعكس الضوء ولا تمتصه. نحن نعلم أنه موجود بسبب تأثير جاذبيته على المجرات والهياكل الكونية الأخرى.

ويمكن اعتباره “الغراء” الذي يربط المجرات معًا، لكننا لا نعرف مما يتكون على المستوى الأساسي. يعتقد معظم الفيزيائيين أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات دون ذرية لم يتم اكتشافها بعد.

لكن الثقوب السوداء القديمة من قبل ال الانفجار الكبير يناسب الفاتورة أيضًا. إنها مظلمة، ولكنها تحمل أيضًا كتلة، وهي الخصائص المطلوبة تمامًا.

لقد استكشفت هذه الفكرة في ورقة جديدة. وبطبيعة الحال، فإن فكرة بقايا الثقوب السوداء تتطلب أيضًا إعادة التفكير في الانفجار الكبير نفسه.

على مدار ما يقرب من قرن من الزمان، تتبع علماء الكونيات تاريخ الكون وصولاً إلى هذه اللحظة الدرامية الفردية. لكن ربما لم تكن هذه هي البداية المطلقة للزمن. ربما كان هناك عالم قبل الانفجار الكبير.

وفي ظل هذا السيناريو، انهار الكون قبل أن يخضع للتوسع. الانفجار الكبير يمثل التحول بين المرحلتين.

لقد حقق نموذج الانفجار العظيم نجاحًا ملحوظًا. ويوضح خلفية الميكروويف الكونية – شفق الكون المبكر – ويتنبأ بتوزيع المجرات على نطاق واسع بدقة مذهلة.

ولكن في آينشتاين النظرية النسبية العامةإنها أيضًا نقطة التفرد – النقطة التي تصبح فيها الكثافة لا نهائية وتنهار قوانين الفيزياء المعروفة.

لا يفسر العديد من الفيزيائيين هذا على أنه حقيقة فيزيائية، بل كعلامة على وجود شيء مفقود. إن التفردات أقل شبهاً بالأشياء المادية وأكثر شبهاً بالتحذيرات الرياضية: فهي تخبرنا أن نظرياتنا الحالية لا يمكنها وصف اللحظات الأولى للكون.

ارتداد وليس ضجة

أحد البدائل هو أ كذاب علم الكونيات. في هذه الصورة، يمر الكون بمرحلة من الانكماش قبل الانفجار الكبير، ليصل إلى كثافة عالية للغاية – ولكن محدودة. فبدلاً من الانهيار إلى حالة التفرد، فإنه ينتعش، ويبدأ مرحلة جديدة من التوسع.

لقد تم استكشاف النماذج المرتدة لعقود من الزمن، وغالبًا ما تتطلب تعديلات على الجاذبية أو مكونات جديدة غريبة. لكن عملنا يوضح أن الارتداد يمكن أن ينشأ كحل منتظم في الفيزياء القياسية، عندما تؤخذ الجاذبية وتأثيرات ميكانيكا الكم – القوانين التي تحكم الطبيعة في أصغر المقاييس – في الاعتبار باستمرار.

في علم الكونيات القياسي، الانفجار الكبير يتبعه بسرعة فترة يمر فيها الكون المبكر بفترة من التوسع السريع والأسي. هذه المرحلة، المعروف باسم التضخم، يمحو بشكل فعال جميع آثار الهياكل السابقة.

الوضع مختلف بالنسبة للكون المرتد. وفي عملنا، وجدنا أن الأشياء التي يزيد حجمها عن 90 مترًا كان من الممكن أن تنجو من الانتقال من الانهيار إلى التوسع.

وهذا يترك وراءه “آثارًا” تحمل معلومات من حقبة كونية سابقة. يمكن أن تشمل هذه الآثار الثقوب السوداء، موجات الجاذبيةوتقلبات الكثافة.

تحتوي فيزياء الكم على دليل قوي لكيفية حدوث ذلك. وفقا ل مبدأ استبعاد باولي – حجر الزاوية في نظرية الكم – تصبح المادة “متحللة” عند كثافات عالية للغاية. تولد المادة ضغطًا يقاوم المزيد من الضغط حتى في غياب الحرارة.

وفي نموذجنا، يحدث تأثير مماثل على المقاييس الكونية. قد يفسر ذلك سبب عدم انهيار الكون تمامًا، ولماذا يمكن للهياكل التي تكونت قبل أو أثناء الارتداد أن تبقى على قيد الحياة حتى مرحلة التوسع.

النجاة من نهاية العالم

لقد حددنا طريقين رئيسيين يمكن أن تنشأ من خلالهما بقايا الثقوب السوداء.

الأول هو البقاء المباشر. يمكن للأجسام المدمجة والاضطرابات (التقلبات في الكثافة أو الجاذبية) المتولدة أثناء مرحلة انهيار الكون أن تستمر خلال الارتداد.

والطريق الثاني أكثر إثارة للاهتمام. أثناء الانكماش، تتجمع المادة بشكل طبيعي تحت الجاذبية، لتشكل هياكل مشابهة للهالات التي تستضيف المجرات اليوم. وبعد الارتداد، تصبح قادرة على الانهيار بكفاءة إلى ثقوب سوداء.

تنهار المجرات والنجوم من مرحلة الانكماش بشكل فعال إلى ثقوب سوداء، مما يؤدي إلى محو معظم بنيتها التفصيلية مع الحفاظ على كتلتها.

هل يمكن أن تكون هذه الثقوب السوداء مادة مظلمة؟ لعقود من الزمن، كان المرشح الرئيسي هو الجسيم الأساسي، ولكن لم يتم اكتشاف أي منها على الرغم من عمليات البحث المكثفة.

تقدم الثقوب السوداء المتبقية بديلاً مقنعًا. إذا أنتج الارتداد ما يكفي منها، فإنها يمكن أن تشكل جزءًا كبيرًا – ربما مهيمنًا – من المادة المظلمة.

قد ترتبط هذه الفكرة أيضًا بواحدة من أكثر ألغاز المراقبة إثارة للاهتمام في السنوات الأخيرة.

ال تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) كشفت عن مجموعة من الأجسام المدمجة ذات اللون الأحمر للغاية في الكون المبكر، والتي تسمى أحيانًا بـ “النقاط الحمراء الصغيرة”. تبدو هذه المصادر الفلكية ضخمة ومضيئة بشكل غير متوقع بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار الكبير.

يشتبه العديد من علماء الفلك في أنها مرتبطة بالثقوب السوداء سريعة النمو، وربما بذور الثقب الأسود الثقوب السوداء الهائلة وجدت في مراكز المجرات اليوم. لكن وجودها يصعب تفسيره ضمن علم الكونيات القياسي. كيف يمكن لمثل هذه الأجسام الضخمة أن تتشكل بهذه السرعة؟

توفر الثقوب السوداء المتبقية تفسيرًا طبيعيًا. إذا كانت البذور الضخمة موجودة بالفعل مباشرة بعد الارتداد، فلن يحتاج الكون المبكر إلى البدء من الصفر. يمكن للثقوب السوداء الهائلة أن تنمو من الناجين القدامى بدلاً من الأجسام المتكونة حديثًا.

وبهذا المعنى، ربما يكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي قد لمح بالفعل أحفاد آثار ما قبل الارتداد.

إطار كوني جديد

يوفر سيناريو الارتداد معًا طريقة موحدة لمعالجة العديد من المشكلات طويلة الأمد في علم الكونيات.

• تم استبدال تفرد الانفجار الأعظم بانتقال كمي. يمكن أن يكون هذا التحول مرتبطًا بمفهوم “جسر أينشتاين-روزن”: رابط رياضي بين منطقتين متباينتين من الزمكان.
• ينشأ التضخم بشكل طبيعي من الديناميكيات القريبة من الارتداد.
• الطاقة المظلمة يمكن أن تكون ذات صلة بالبنية العالمية للكون المحدود.
• قد تتكون المادة المظلمة من بقايا ثقوب سوداء، وربما بدأ كوننا كواحد.
• يمكن لموجات الجاذبية أن تحمل إشارات من مرحلة كونية سابقة.
• قد يكون للثقوب السوداء الهائلة أصول قديمة تتفق مع ملاحظات تلسكوب جيمس ويب الفضائي الحديثة.

ولا يزال يتعين القيام بالكثير من العمل. ويجب اختبار هذه الأفكار مقابل البيانات، بدءًا من خلفيات موجات الجاذبية، وحتى مسوحات المجرات، والقياسات الدقيقة لخلفية الموجات الميكروية الكونية.

متعلق ب: يقول العلماء إن مرصد LIGO ربما اكتشف أول ثقب أسود بدائي

لكن الاحتمال عميق: ربما لم يبدأ الكون مرة واحدة، بل ربما يكون قد ارتد. والهياكل المظلمة التي تشكل المجرات اليوم يمكن أن تكون بقايا من وقت ما قبل الانفجار الكبير.

إنريكي غازتاناجاأستاذ الفيزياء الفلكية بمعهد علم الكونيات والجاذبية، جامعة بورتسموث

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.