چگونه می‌توان کوه اورست را به اندازه یک اتم فشرده کرد؟!
یکی از جالب‌ترین پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، وجود سیاه‌چاله‌ها است؛ اجرامی نجومی با میدان‌های گرانشی آن‌قدر قوی که حتی نور هم نمی‌تواند از آن‌ها فرار کند.
دانشمندان می‌گویند فشرده شدن جسمی بزرگ به اندازه کوه اورست به قدر تنها یک اتم، کاری است که از دست سیاه‌چاله‌ها، حتی سیاه‌چاله‌های کوچک برمی‌آید.
یکی از جالب‌ترین پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، وجود سیاه‌چاله‌ها است؛ اجرامی نجومی با میدان‌های گرانشی آن‌قدر قوی که حتی نور هم نمی‌تواند از آن‌ها فرار کند.
وقتی سوخت یک ستاره‌ی به اندازه کافی پرجرم تمام می‌شود، منفجر می‌شود و هسته‌ی باقی مانده از آن فرو می‌پاشد و منجر به تشکیل یک سیاه‌چاله ستاره‌ای (با جرم سه تا ۱۰۰ جرم خورشیدی) می‌شود.
سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم یا ابرسیاه‌چاله‌ها در مرکز اکثر کهکشان‌ها وجود دارند. این‌ها بزرگترین نوع سیاه‌چاله‌ها هستند که بین صد هزار تا ۱۰ میلیارد برابر جرم خورشید ما جرم دارند.
تاکنون اخترشناسان موفق به ثبت تصاویری از دو ابرسیاه‌چاله شده‌اند که یکی در مرکز کهکشان M ۸۷ و جدیدترین آن در کهکشان راه شیری موسوم به کمان ای* (Sagittarius A*) است.
کمان ای* یک منبع رادیویی نجومی درخشان و بسیار فشرده در مرکز کهکشان راه شیری است. تصور می‌شود که این جرم، یک سیاه‌چاله کلان‌جرم باشد. این جرم از لحاظ ظاهری در مرز صورت فلکی کمان و عقرب قرار دارد.
اما اعتقاد بر این است که نوع دیگری از سیاه‌چاله نیز وجود دارد که سیاه‌چاله نخستین یا بدوی (PBHs) نام دارد. این سیاه‌چاله‌ها منشأ متفاوتی با سایر سیاه‌چاله‌ها دارند، زیرا در کیهان اولیه از طریق فروپاشی گرانشی مناطق بسیار متراکم شکل گرفته‌اند.
سیاه‌چاله نخستین (Primordial black hole) که به اختصار PBH نامیده می‌شود، نوعی سیاه‌چاله فرضی است که بلافاصله پس از انفجار بزرگ مه‌بانگ شکل گرفت. در کیهان اولیه، چگالی بالا و شرایط ناهمگن می‌توانست مناطقِ به اندازه کافی متراکم را به سمت رمبش گرانشی سوق و سیاه‌چاله‌ها را تشکیل دهد.
یاکوف بوریسوویچ زلدوویچ و ایگور دمیتریویچ نوویکوف در سال ۱۹۶۶ برای اولین بار وجود چنین سیاه‌چاله‌هایی را مطرح کردند. تئوری پشت سرچشمه چنین سیاه‌چاله‌هایی برای اولین بار توسط استیون هاوکینگ در سال ۱۹۷۱ به شکل عمیق مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. از آنجایی که سیاه‌چاله‌های نخستین از فروپاشی گرانشی ستاره‌ای تشکیل نشده‌اند، جرم آن‌ها می‌تواند بسیار کمتر از جرم ستاره‌ای باشد (حدود ۲ ضرب در ۱۰ به توان ۳۰ کیلوگرم).
از نظر تئوری، این سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانند هر جرمی داشته باشند و ممکن است اندازه آن‌ها از یک ذره زیر اتمی تا چند صد کیلومتر متغیر باشد. به عنوان مثال، یک PBH با جرمی معادل کوه اورست می‌تواند تنها به اندازه یک اتم باشد.
این سیاه‌چاله‌های کوچک با سرعت بیشتری نسبت به همتایان عظیم خود جرم خود را از دست می‌دهند و به اصطلاح تشعشعات هاوکینگ ساطع می‌کنند تا سرانجام تبخیر شوند.
تا به حال، ستاره شناسان قادر به رصد PBH نبوده‌اند. تحقیقات روی این موضوع در حال انجام است، زیرا فرض بر این است که این اجرام فوق فشرده ممکن است بخشی از ماده تاریک کیهان باشند که مدتهاست در جستجوی آن هستند.
یک سناریوی جایگزین برای تشخیص سیاه‌چاله‌های اولیه به اندازه اتم در یک مقاله جدید که توسط پروفسور آیودانته و دکتر اسکار دل بارکو نوویلو از دانشکده فیزیک کاربردی دانشگاه زاراگوزا انجام شده، پیشنهاد شده است. در این پژوهش، سیگنال مشخصه برهمکنش یکی از این سیاه‌چاله‌های کوچک و یکی از متراکم‌ترین اجرام کیهان (ستاره نوترونی) مورد بررسی قرار گرفته است.
قبل از شروع این مدل اخترفیزیکی جدید، اجازه دهید اکنون در مورد ویژگی‌های اصلی این ستارگان جذاب توضیح دهیم.
یکی از متراکم‌ترین اجرام کیهان
همانطور که قبلا اشاره شد، وقتی سوخت یک ستاره عظیم تمام می‌شود، منفجر می‌شود و هسته آن فرو می‌پاشد و در نتیجه سیاه‌چاله‌ای ستاره‌ای ایجاد می‌شود. باید تاکید کرد که در هر سناریویی اینطور نیست. برای مثال، اگر هسته در حال فروپاشی جرم کمتری از حدود سه جرم خورشیدی داشته باشد، یک ستاره نوترونی تشکیل می‌شود.
این اجرام، بسیار کوچک و بسیار متراکم هستند. به عنوان مثال، ستاره‌ای با جرم ۱.۵ جرم خورشیدی را در نظر بگیرید که در کره‌ای به قطر تنها ۲۰ کیلومتر فشرده شده است.
چگالی یک ستاره نوترونی بسیار زیاد است و تنها یک قاشق غذاخوری از مواد این ستاره، میلیون‌ها تن وزن دارد.
جوان‌ترین ستارگان نوترونی متعلق به زیر کلاسی به نام تپ‌اختر‌ها هستند که با سرعت بسیار بالایی می‌چرخند. این تپ‌اختر‌ها تشعشعاتی را به شکل پرتو‌های باریکی منتشر می‌کنند که به صورت دوره‌ای به زمین می‌رسند.
با گذشت زمان، این اجرام سرد می‌شوند و سرعت چرخش خود را از دست می‌دهند و تشخیص آن‌ها دشوار است، به همین دلیل است که تاکنون تنها پرانرژی‌ترین تپ‌اختر‌ها مشاهده شده‌اند.
برهمکنش یک PBH به اندازه اتم با یک ستاره نوترونی
سیاه‌چاله‌های اولیه ممکن است در نواحی کهکشانی که غلظت ماده تاریک به طور قابل ملاحظه‌ای بالا است، قرار داشته باشند؛ بنابراین آن‌ها می‌توانند در جهان پرسه بزنند و با سرعت‌ها و جهات مختلف حرکت کنند و در نهایت با سایر اجرام نجومی مانند سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی تعامل داشته باشند.
از این نظر، یک PBH به اندازه یک اتم می‌تواند با یک ستاره نوترونی قدیمی که دمای آن به طور قابل توجهی پایین است و عملاً تمام سرعت چرخشی خود را از دست داده است، روبرو شود. بر اساس پژوهش‌های اخیر، فراوانی این برخورد‌ها در حدود ۲۰ رویداد در سال خواهد بود. با این وجود، مشاهده بیشتر این فعل و انفعالات به دلیل وجود فواصل زیاد و دشواری جهت‌گیری مناسب از زمین دشوار خواهد بود.
دو سناریوی ممکن در نظر گرفته می‌شوند. اول، زمانی که PBH توسط ستاره نوترونی گرفته می‌شود و دوم زمانی که این سیاه‌چاله کوچک از فواصل دور وارد می‌شود، به اطراف ستاره نوترونی می‌چرخد و دوباره به سمت بی‌نهایت (یک رویداد پراکنده) حرکت می‌کند و بسته به مدار خاص آن، یک سیگنال مشخصه و منحصر به فرد تولید می‌شود.
نوع خاصی از GRB
این انتشارات گذرا با انرژی بالا که مقدار زیادی انرژی به صورت پرتو‌های بسیار باریک آزاد می‌شوند، از چند میلی‌ثانیه تا چند ساعت طول می‌کشند و منابع آن‌ها میلیارد‌ها سال نوری از زمین فاصله دارند.
GRBهای کوتاه‌تر به دلیل ادغام ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها ایجاد می‌شوند، در حالی که انفجار‌های طولانی‌تر از مرگ ستارگان پرجرم (به اصطلاح ابرنواخترها) منشأ می‌گیرند.
در مورد خاص ما، GRB دارای مدت زمان حدود ۳۵ ثانیه‌ای با یک شرایط بسیار خاص است که آن، انتشار صاف و پایدار و به دنبال آن کاهش ناگهانی و سریع تنها در چند صدم ثانیه است.
اکنون سوالی که مطرح می‌شود این است که آیا تشخیص PBH در اندازه اتمی یک کار غیر ممکن است؟ با توجه به پیچیدگی جستجوی چنین سیاه‌چاله‌های کوچکی، پاسخ به این سوال آسان نیست.
با این وجود، اگر چنین GRB خاصی توسط تلسکوپ‌های مدرن شناسایی و اندازه‌گیری شود و با امضای خاص گزارش‌شده در این پژوهش مطابقت داشته باشد، می‌توان استدلال کرد که یک برهمکنش باستانی PBH با ستاره نوترونی در اوایل کیهان رخ داده است.
به عبارت دیگر، شواهد تجربی از چنین سیاه‌چاله‌های اولیه کم‌جرم، یکی از پیش‌بینی‌های بنیادی استیون هاوکینگ را مطرح می‌کند.
البته این کار آسانی نخواهد بود، چرا که شاید چنین GRBهایی هرگز پیدا نشوند، اما ما نمی‌توانیم چنین احتمالی را کاملاً رد کنیم. در نهایت فقط زمان مشخص خواهد کرد که چه می‌شود.
منبع: ایسنا
