الجانب المظلم من الكون: كيف أصبحت الثقوب السوداء فائقة الكتلة
شبه انتقال الطور الكوني نوعا مألوفا من انتقال الطور: جعل الماء يغلي. عندما يصل الماء إلى درجة الحرارة المناسبة بالضبط ، فإنه ينفجر في فقاعات وبخار. تخيل أن هذه العملية تحدث مع حالة بدائية من المادة. ثم قم بتحويل العملية إلى الاتجاه المعاكس بحيث يكون لها تأثير تبريد وقم بتكبيرها إلى حجم الكون.
"قبل وجود المجرات، كان الكون حارا وكثيفا، وهذا أمر راسخ. كيف برد الكون إلى ما نلاحظه اليوم هو مسألة مثيرة للاهتمام لأننا لا نملك بيانات تجريبية تصف كيف حدث ذلك". "يمكننا التنبؤ بما حدث مع الجسيمات المعروفة لأنها تتفاعل في كثير من الأحيان. ولكن ماذا لو كانت هناك جسيمات غير معروفة بعد هناك تعمل بشكل مختلف؟"
لاستكشاف هذا السؤال، طور فريق بروكهافن نموذجا لقطاع مظلم من الكون، حيث تكثر الجسيمات التي لم تكتشف بعد ونادرا ما تتفاعل. ومن بين هذه الجسيمات يمكن أن تكون المادة المظلمة فائقة الضوء، والتي من المتوقع أن تكون أخف حجما بمقدار 28 درجة من البروتون. لم يتم رصد المادة المظلمة بشكل مباشر، لكن الفيزيائيين يعتقدون أنها تشكل معظم مادة الكون بناء على تأثيرات الجاذبية.
وقال دينتون: "إن تواتر التفاعلات بين الجسيمات المعروفة يشير إلى أن المادة ، كما نعرفها ، لم تكن لتنهار إلى ثقوب سوداء بكفاءة عالية". ولكن، إذا كان هناك قطاع مظلم به مادة مظلمة خفيفة للغاية، فربما كان الكون المبكر قد واجه الظروف المناسبة لشكل فعال للغاية من الانهيار".
أشارت الملاحظات الحديثة إلى وجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة تشكلت في الكون المبكر، في وقت أبكر بكثير مما كان يعتقد الفيزيائيون سابقا. هذا الاكتشاف لا يترك سوى القليل من الوقت لتفسير نمو الثقوب السوداء فائقة الكتلة. يعرف الفيزيائيون أن الثقوب السوداء تكتسب الكتلة في المقام الأول بوسيلتين. إحدى الطرق ، تسمى التراكم ، هي عندما تسقط المادة ، ومعظمها من الغبار ، في الثقوب السوداء. ولكن هناك حد للسرعة التي يمكن أن تتراكم بها المادة في الثقوب السوداء من خلال التراكم. الطريقة الثانية هي من خلال الاصطدامات المجرية ، والتي يمكن خلالها دمج ثقبين أسودين. ومع ذلك ، في الكون المبكر ، كانت المجرات قد بدأت للتو في التشكل. لذا ، فقد ترك الفيزيائيون يتساءلون كيف نمت هذه العجائب الكونية القديمة بهذه السرعة. يمكن أن تكون جزيئات المادة المظلمة الخفيفة جدا هي القطعة المفقودة.
وقال دينتون: "لقد وضعنا نظرية كيف يمكن للجسيمات في القطاع المظلم أن تخضع لانتقال مرحلي يمكن المادة من الانهيار بكفاءة عالية إلى ثقوب سوداء". "عندما تكون درجة حرارة الكون مناسبة تماما ، يمكن أن ينخفض الضغط فجأة إلى مستوى منخفض للغاية ، مما يسمح للجاذبية بالسيطرة والمواد بالانهيار. ويشير فهمنا للجسيمات المعروفة إلى أن هذه العملية لن تحدث عادة".
مثل هذا الانتقال المرحلي سيكون حدثا دراماتيكيا ، حتى بالنسبة لشيء مذهل مثل الكون.
"هذه الانهيارات هي صفقة كبيرة. إنها تنبعث منها موجات جاذبية" ، قال دينتون. "هذه الموجات لها شكل مميز ، لذلك نقوم بالتنبؤ بهذه الإشارة ونطاق ترددها المتوقع."
تجارب الموجات الثقالية الحالية ليست حساسة بما يكفي للتحقق من صحة النظرية، ولكن تجارب الجيل التالي قد تكون قادرة على اكتشاف إشارات تلك الموجات. واستنادا إلى الشكل المميز للموجات، يمكن للفيزيائيين بعد ذلك تضييق نطاق تفاصيل تكوين الثقب الأسود الهائل. وحتى ذلك الحين، سيستمر منظرو بروكهافن في تقييم البيانات الجديدة وتحسين نموذجهم.