یک پژوهش جدید نشان می‌دهد که بشر به احتمال ۹۰ درصد می‌تواند در دهه آینده با استفاده از یک تلسکوپ فضایی یا زمینی، یک سیاه‌چاله در حال انفجار را شناسایی کند.

به نقل از اسپیس، چنین تشخیصی با اثبات وجود سیاه‌چاله‌های اولیه که ۱۳.۸ میلیارد سال پیش و یک ثانیه پس از انفجار بزرگ متولد شده‌اند، دیدگاه ما را نسبت به جهان تغییر خواهد داد.

دانشمندان مدت‌هاست که به انفجار سیاه‌چاله‌ها مشکوک هستند اما مدت زمان این انفجار با افزایش جرم هر سیاه‌چاله‌ای افزایش می‌یابد. تخمین‌های پیشین نشان داده‌اند که بزرگترین سیاه‌چاله‌های ممکن، برای انفجار به زمانی بیش از طول عمر فرضی جهان نیاز دارند. براساس نظریه‌های پیشین، چنین انفجاری برای کوچکترین سیاه‌چاله‌های ممکن حداکثر هر ۱۰۰ هزار سال یک بار اتفاق می‌افتد.

با وجود این، پژوهش انجام‌شده در «دانشگاه ماساچوست، امهرست»(UMass Amherst) یک مدل جدید را از بار الکتریکی سیاهچاله‌ها ارائه داد که آن را «dark-QED toy model» می‌نامند. این مدل شامل یک نسخه بسیار سنگین و فرضی از الکترون است که پژوهشگران آن را «الکترون تاریک» نامیده‌اند. اگر این مدل درست باشد، می‌توان هر ۱۰ سال یک بار شاهد انفجار سیاه‌چاله‌های اولیه بود.

براساس این نظریه، انفجار یک سیاه‌چاله اولیه می‌تواند جهان را با همه ذرات ممکن پر کند. این ذرات شامل ذرات تثبیت‌شده مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترون‌ها، کوارک‌ها و بوزون‌های هیگز و همچنین ذرات فراتر از مدل استاندارد مانند ذراتی که می‌توانند ماده تاریک را تشکیل دهند، هستند.

این یعنی رصد چنین انفجاری نه تنها می‌تواند وجود سیاه‌چاله‌های اولیه را آشکار سازد، بلکه می‌تواند انبوهی از معماهای مربوط به ذرات فراتر از مدل استاندارد را نیز حل کند.

«مایکل بیکر»(Michael Baker) از پژوهشگران این پروژه گفت: ما ادعا نمی‌کنیم که این اتفاق قطعاً در این دهه رخ خواهد داد اما ۹۰ درصد احتمال دارد که رخ دهد. از آنجا که ما در حال حاضر فناوری مورد نیاز را برای مشاهده این انفجارها داریم، باید آماده باشیم.

نشت سیاه‌چاله‌ها

سیاه‌چاله‌ها در طیف گسترده‌ای از جرم‌ها وجود دارند و این واقعیت، بخش جدایی‌ناپذیری از نظریه‌ این گروه پژوهشی است.

شاید آشناترین مفهوم سیاه‌چاله‌ها، سیاه‌چاله‌های دارای جرم ستاره‌ای باشد که جرمی را بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ برابر جرم خورشید دارند. این سیاه‌چاله‌ها زمانی متولد می‌شوند که ستاره‌های بزرگ به پایان سوخت هسته‌ای خود می‌رسند و دیگر نمی‌توانند خود را در برابر کشش گرانشی درونی خود حفظ کنند. این امر به ایجاد ناحیه‌ای از فضا-زمان با تأثیر گرانشی بسیار زیاد منجر می‌شود که حتی نور نیز به اندازه کافی سریع نیست تا از آن فرار کند.

سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم با جرمی معادل میلیون‌ها یا حتی میلیاردها خورشید، بیش از حد بزرگ هستند که از ستاره‌های در حال مرگ متولد شده باشند. در عوض، این نظریه مطرح شده است که آنها زمانی ایجاد می‌شوند که سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر با هم برخورد کنند و ادغام شوند و زنجیره‌ای از ادغام‌های به تدریج بزرگتر رخ شکل بگیرد.

براساس نظریه‌های ارائه‌شده، سیاه‌چاله‌های اولیه بسیار کوچک‌تر از حتی سیاه‌چاله‌های دارای جرم ستاره‌ای هستند و پیش‌بینی می‌شود جرم آنها از جرم سیاره‌های غول‌پیکر تا سیارک‌های با اندازه متوسط ​​متغیر باشد. نظریه‌ها نشان می‌دهند که سیاه‌چاله‌های اولیه نه از ستاره‌ها، بلکه در نتیجه نوسانات چگالی اولیه در جهان لحظاتی پس از انفجار بزرگ ایجاد شده‌اند.

مفهوم سیاه‌چاله‌های منفجرشونده در سال ۱۹۷۴ مطرح شد؛ زمانی که «استیون هاوکینگ»(Stephen Hawking) فیزیک‌دان و مفسر علمی انگلیسی اظهار داشت که سیاه‌چاله‌ها نوعی تابش حرارتی از خود نشت می‌دهند که بعدها «تابش هاوکینگ» نامیده شد.

انتشار تابش هاوکینگ باعث می‌شود سیاه‌چاله به تدریج تبخیر شود و این فرآیند با یک انفجار پایان ‌یابد. دمای این تابش به جرم سیاه‌چاله‌ای که آن را ساطع می‌کند، بستگی دارد اما این یک رابطه معکوس است. هرچه جرم سیاه‌چاله بیشتر باشد، «دمای هاوکینگ» آن کمتر است. این بدان معناست که سیاه‌چاله‌های کوچکتر بسیار داغ‌تر از فضای اطراف خود هستند؛ به این معنی که آنها تابش هاوکینگ را بسیار سریع‌تر منتشر می‌کنند و جرم کوچکتر خود را سریع‌تر از سیاه‌چاله‌های بسیار بزرگ از دست می‌دهند.

این گونه است که دانشمندان می‌گویند باید بتوانند آنها را تشخیص دهند. «آندره تام»(Andrae Thamm) از پژوهشگران این پروژه گفت: هرچه یک سیاه‌چاله سبک‌تر باشد، داغ‌تر می‌شود و ذرات بیشتری را منتشر می‌کند. با تبخیر سیاه‌چاله‌های اولیه، آنها سبک‌تر و داغ‌تر می‌شوند و در یک فرآیند فرار تا زمان انفجار، تابش بیشتری را ساطع می‌کنند. این تابش هاوکینگ است که تلسکوپ‌های ما می‌توانند تشخیص دهند.

بنابراین، ستاره‌شناسان باید بتوانند سیاه‌چاله‌های اولیه را شناسایی کنند اما اگر آنها وجود داشته باشند هم تاکنون گریزان بوده‌اند.

«یوآکیم ایگواز خوآن»(Joaquim Iguaz Juan) از پژوهشگران این پروژه گفت: ما می‌دانیم چگونه تابش هاوکینگ را مشاهده کنیم. می‌توانیم آن را با تلسکوپ‌های کنونی خود ببینیم و از آنجا که تنها سیاه‌چاله‌های قابل انفجار در امروز یا آینده نزدیک همین سیاه‌چاله‌های اولیه هستند، می‌دانیم که اگر تابش هاوکینگ را ببینیم، در حال دیدن یک سیاه‌چاله اولیه در حال انفجار هستیم.

پیش از این، احتمال شناسایی یک سیاه‌چاله اولیه در حال انفجار بی‌نهایت کم در نظر گرفته می‌شد. با وجود این، خوآن خاطرنشان کرد: وظیفه ما به عنوان فیزیک‌دان این است که فرضیات پذیرفته‌شده را زیر سوال ببریم، سوالات بهتری بپرسیم و فرضیه‌های دقیق‌تری ارائه دهیم.

این گروه پژوهشی با بررسی مجدد آنچه درباره بار الکتریکی سیاه‌چاله‌ها نظریه‌پردازی شده است، فرضیات را زیر سوال بردند. سیاه‌چاله‌های دارای جرم ستاره‌ای از نظر الکتریکی خنثی در نظر گرفته می‌شوند و تاکنون سیاه‌چاله‌های اولیه نیز از نظر تئوری به همین صورت بوده‌اند. بیکر گفت: ما فرضیه متفاوتی را مطرح می‌کنیم. ما نشان می‌دهیم که اگر یک سیاه‌چاله اولیه با بار الکتریکی تاریک کم تشکیل شود، مدل پیش‌بینی می‌کند که پیش از انفجار نهایی باید موقتاً به حالت پایدار درآید.

این اتفاق به انفجار سیاه‌چاله اولیه منجر می‌شود که به طور میانگین ​​هر ۱۰ سال یک بار به جای هر ۱۰۰ هزار سال رخ می‌دهد. گام بعدی این گروه پژوهشی، آماده شدن برای به دست آوردن چنین تشخیصی و بهره‌گیری از پیش‌بینی ۹۰ درصدی احتمال انفجار یک سیاه‌چاله اولیه است.

خوآن گفت: این اولین مشاهده مستقیم تابش هاوکینگ و یک سیاه‌چاله اولیه خواهد بود. همچنین، ما یک رکورد قطعی از هر ذره‌ای که همه چیز را در جهان تشکیل می‌دهد، به دست خواهیم آورد. این کار، فیزیک را کاملاً متحول خواهد ساخت و به ما کمک خواهد کرد تا تاریخ جهان را از نو بنویسیم.

این پژوهش در مجله «Physical Review Letters» به چاپ رسید.