בשחר הזמן: פיזיקאים של MIT מקשרים בין חומר אפל לחורים שחורים מיקרוסקופיים "טעונים במיוחד"

בחמישית השנייה הראשונה, ייתכן שהיקום צץ חורים שחורים מיקרוסקופיים עם כמויות אדירות של מטען גרעיני, לפי MIT פיזיקאים.

חוקרי MIT מציעים שחורים שחורים ראשוניים, אולי סוג של חומר אפל, יכלו להיווצר ברגעים הראשונים לאחר המפץ הגדול ונשאו רמות גבוהות של נכס גרעיני המכונה מטען צבע. החורים השחורים הטעונים האלה, למרות קיומם הקצר, עשויים להשפיע על הקוסמולוגיה של היקום המוקדם ויכולים להסביר כמה תופעות אסטרונומיות שנצפו היום.

חומר אפל וחורים שחורים ראשוניים

על כל קילוגרם של חומר שאנחנו יכולים לראות – מהטלפון שבידך ועד לכוכבים וגלקסיות רחוקות – יש 5 קילוגרם של חומר בלתי נראה שמחלחלים לסביבתנו. "החומר האפל" הזה הוא ישות מסתורית החומקת מכל צורות של התבוננות ישירה, אך עדיין מרגישה את נוכחותה באמצעות המשיכה הבלתי נראת שלה באובייקטים גלויים.

לפני חמישים שנה הציע הפיזיקאי סטיבן הוקינג רעיון למה יכול להיות חומר אפל: אוכלוסייה של חורים שחורים, שאולי נוצרה זמן קצר מאוד לאחר המפץ הגדול. חורים שחורים "ראשוניים" כאלה לא היו הגולייתים שאנו מזהים כיום, אלא אזורים מיקרוסקופיים של חומר צפוף במיוחד שהיו נוצרים בקונטיליונית השנייה הראשונה לאחר המפץ הגדול ולאחר מכן מתמוטטים ומתפזרים על פני הקוסמוס, מושכים הלאה. מקיף את המרחב-זמן בדרכים שיכולות להסביר את החומר האפל שאנו מכירים היום.

חושפת חורים שחורים טעונים במיוחד

כעת, פיזיקאים של MIT גילו שהתהליך הקדמוני הזה גם היה מייצר כמה בני לוויה בלתי צפויים: אפילו חורים שחורים קטנים יותר עם כמויות חסרות תקדים של תכונה גרעינית-פיזיקה המכונה "מטען צבע".

החורים השחורים הקטנים ביותר, ה"סופר-טעונים" הללו, היו חומר חדש לגמרי, שככל הנראה התאדה שבריר שנייה לאחר שהופיעו. עם זאת, הם עדיין יכלו להשפיע על מעבר קוסמולוגי מרכזי: הזמן שבו גרעיני האטום הראשונים נוצרו. הפיזיקאים מניחים שהחורים השחורים טעוני הצבע היו יכולים להשפיע על איזון הגרעינים המתמזגים, באופן שאסטרונומים עשויים לגלות מתישהו במדידות עתידיות. תצפית כזו תצביע בצורה משכנעת על חורים שחורים ראשוניים כשורש כל החומר האפל כיום.

"למרות שיצורים אקזוטיים קצרי מועד אלה אינם קיימים כיום, הם יכלו להשפיע על ההיסטוריה הקוסמית בדרכים שיכולות להופיע באותות עדינים כיום", אומר דיוויד קייזר, פרופסור גרמסהוזן להיסטוריה של המדע ופרופסור לפיזיקה ב- MIT. "בתוך הרעיון שכל חומר אפל יכול להיות אחראי על ידי חורים שחורים, זה נותן לנו דברים חדשים לחפש."

קייזר ושותפו למחבר, סטודנטית לתואר שני ב-MIT, אלבה אלונסו-מונסלב, פרסמו את המחקר שלהם ב-6 ביוני בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.

זמן לפני כוכבים

החורים השחורים שאנו מכירים ומזהים כיום הם תוצר של קריסת כוכבים, כאשר מרכזו של כוכב עצום מתחמק ויוצר אזור כה צפוף שהוא יכול לכופף את המרחב-זמן כך שכל דבר – אפילו אור – נכלא בתוכו. . חורים שחורים "אסטרופיזיים" כאלה יכולים להיות מסיביים פי כמה מהשמש ועד פי מיליארדים רבים יותר.

חורים שחורים "ראשוניים", לעומת זאת, יכולים להיות קטנים בהרבה, וחושבים שהם נוצרו בתקופה שלפני הכוכבים. עוד לפני שהיקום בישל את היסודות הבסיסיים, שלא לדבר על כוכבים, מדענים מאמינים כי כיסים של חומר קדמון אולטרה-צפוף יכלו להצטבר ולמוטט וליצור חורים שחורים מיקרוסקופיים שיכלו להיות צפופים עד כדי לסחוט את המסה של אסטרואיד לתוך אזור קטן כמו יחיד אָטוֹם. כוח המשיכה מהעצמים הזעירים והבלתי נראים הללו הפזורים ביקום יכול להסביר את כל החומר האפל שאיננו יכולים לראות היום.

אם זה היה המקרה, אז ממה היו עשויים החורים השחורים הקדמוניים האלה? זו השאלה שקייזר ואלונסו-מונסלב לקחו על עצמם עם המחקר החדש שלהם.

"אנשים למדו מה התפלגות חור שחור המונים יהיו במהלך הייצור המוקדם הזה של היקום, אבל מעולם לא היו קשורים אותו לאיזה סוגי דברים היו נופלים לחורים השחורים האלה בזמן שהם נוצרו", מסביר קייזר.

קרנפים סופר טעונים

הפיזיקאים של MIT בחנו תחילה דרך תיאוריות קיימות לגבי התפלגות סבירה של מסת החורים השחורים כפי שהם נוצרו לראשונה ביקום המוקדם.

"ההבנה שלנו הייתה שיש מתאם ישיר בין מתי נוצר חור שחור ראשוני לבין המסה שהוא נוצר איתה", אומר אלונסו-מונסלב. "וחלון הזמן הזה מוקדם באופן אבסורדי."

היא וקייזר חישבו שחורים שחורים קדומים בוודאי נוצרו בתוך קונטיליונת השנייה הראשונה שלאחר המפץ הגדול. הבזק הזמן הזה היה מייצר חורים שחורים מיקרוסקופיים "אופייניים" שהיו מסיביים כמו אסטרואיד וקטנים כמו אטום. זה היה מניב גם חלק קטן של חורים שחורים קטנים יותר באופן אקספוננציאלי, עם מסה של קרנף וגודל קטן בהרבה מפרוטון בודד.

ממה היו עשויים החורים השחורים הקדמוניים האלה? לשם כך, הם הסתכלו על מחקרים שחקרו את הרכב היקום המוקדם, ובמיוחד, לתיאוריית הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD) – המחקר של האופן שבו קווארקים וגלואונים מתקשרים.

דינמיקה קוונטית ויצירת חור שחור

קווארקים וגלואונים הם אבני הבניין הבסיסיות של פרוטונים וניטרונים – חלקיקים אלמנטריים שחוברו יחד את היסודות הבסיסיים של הטבלה המחזורית. מיד לאחר המפץ הגדול, פיסיקאים מעריכים, בהתבסס על QCD, שהיקום היה חם מאוד פְּלַסמָה של קווארקים וגלואונים שהתקררו במהירות והתאחדו לייצור פרוטונים וניוטרונים.

החוקרים גילו שבתוך קונטיליונית השנייה הראשונה, היקום עדיין היה מרק של קווארקים וגלואונים חופשיים שטרם התאחדו. כל חור שחור שנוצר בזמן הזה היה בולע את החלקיקים הלא קשורים, יחד עם תכונה אקזוטית המכונה "מטען צבע" – מצב מטען שרק קווארקים וגלואונים לא משולבים נושאים.

תפקידו של מטען הצבע בדינמיקה של חור שחור

"ברגע שהבנו שהחורים השחורים האלה נוצרים בפלזמה של קווארק-גלואון, הדבר החשוב ביותר שהיינו צריכים להבין היה, כמה מטען צבע כלול בגוש החומר שייגמר בחור שחור ראשוני?" אומר אלונסו-מונסאלב.

באמצעות תיאוריית QCD, הם חישבו את התפלגות מטען הצבע שהיה צריך להתקיים ברחבי הפלזמה החמה והמוקדמת. ואז הם השוו את זה לגודל של אזור שיתמוטט ויוצר חור שחור בחמישית השנייה הראשונה. מסתבר שלא היה הרבה מטען צבע ברוב החורים השחורים האופייניים באותה תקופה, שכן הם היו נוצרים על ידי קליטת מספר עצום של אזורים שיש בהם שילוב של מטענים, שבסופו של דבר היה מצטבר ל"נייטרלי " לחייב.

מסקנה והשלכות עתידיות

אבל החורים השחורים הקטנים ביותר היו עמוסים במטען צבע. למעשה, הם היו מכילים את הכמות המקסימלית של כל סוג של מטען המותר לחור שחור, על פי חוקי היסוד של הפיזיקה. בעוד שחורים שחורים "קיצוניים" שכאלה היו משוערים במשך עשרות שנים, עד עכשיו איש לא גילה תהליך ריאלי שבאמצעותו יכלו להיווצר מוזרויות כאלה ביקום שלנו.

פרופסור ברנרד קאר מאוניברסיטת קווין מרי בלונדון, מומחה לנושא חורים שחורים ראשוניים שעבד לראשונה על הנושא עם סטיבן הוקינג, מתאר את העבודה החדשה כ"מרגשת". קאר, שלא היה מעורב במחקר, אומר שהעבודה "מראה שיש נסיבות שבהן חלק זעיר מהיקום הקדום יכול להיכנס לתוך עצמים עם כמות עצומה של מטען צבע (לפחות לזמן מה), גדול יותר מ מה שזוהה במחקרים קודמים של QCD."

החורים השחורים הטעונים היו מתאדים במהירות, אבל אולי רק לאחר הזמן שבו החלו להיווצר גרעיני האטום הראשונים. מדענים מעריכים שתהליך זה התחיל בסביבות שנייה אחת לאחר המפץ הגדול, מה שהיה נותן לחורים שחורים קיצוניים מספיק זמן לשבש את תנאי שיווי המשקל שהיו שוררים כאשר הגרעינים הראשונים החלו להיווצר. הפרעות כאלה עלולות להשפיע באופן פוטנציאלי על האופן שבו הגרעינים המוקדמים ביותר נוצרו, בדרכים שאולי יראו ביום מן הימים.

"יכול להיות שהחפצים האלה השאירו טביעות תצפית מרגשים", מהרהר אלונסו-מונסלב. "הם יכלו לשנות את האיזון של זה לעומת זה, וזה מסוג הדברים שאפשר להתחיל לתהות לגביהם."

מחקר זה נתמך, בין השאר, על ידי משרד האנרגיה האמריקאי. אלונסו-מונסאלב נתמך גם על ידי מלגה מהמחלקה לפיזיקה של MIT.