الثقوب السوداء العملاقة لا تفسر المادة المظلمة
بيانات الخلفية الكونية الميكروية تستبعد الثقوب السوداء الهائلة الضخامة بوصفها مكوّناً مهماً من المادة المظلمة، وتضعف فرضيات ربطها بالمجرّات الفتية التي رصدها جيمس ويب وبخلفية موجات الجاذبية.
أغلقت بيانات الخلفية الكونية الميكروية الباب أمام فئة من الثقوب السوداء العملاقة كانت مرشحة لتفسير المادة المظلمة، ومعها أُضعفت فرضيات أخرى ربطتها بمجرّات فتية ضخمة رصدها تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) وبخلفية من موجات الجاذبية تغمر الكون. وخلص باحثون إلى أن «الثقوب السوداء الهائلة الضخامة» (SLABs) لا يمكن أن تكون مكوّناً مهماً من المادة المظلمة.
ما هي هذه الثقوب، ولماذا طُرحت؟
الثقوب السوداء البدائية (PBHs) أجرام افتراضية اقتُرحت مرشحاً لتفسير المادة المظلمة. وتشكّل الثقوب الهائلة الضخامة فئة فرعية منها، وقد تصل كتلتها إلى 10 مليارات مليار كتلة شمسية، أي رقم يتكوّن من مليارين متتاليين. وتمتد الكتل المقترحة لها من 100 مليون إلى 10 مليارات مليار ضعف كتلة الشمس.
وتقوم الفكرة على أن هذه الثقوب قد تكون تكوّنت بعد الانفجار العظيم بوقت قصير من مناطق ازدادت فيها كثافة المادة. ولن تحتاج إلى نجوم ضخمة ولا إلى مستعرات عظمى لتولد. وبحسب النظرية، سبق تشكّلها ظهورَ البنى الكبيرة مثل عناقيد المجرّات.
قال Christopher Gerlach، الفيزيائي النظري والمؤلف الرئيسي للدراسة: «كان أحد الحلول الممكنة للغز المادة المظلمة أنها ربما تجمّعت بعد الانفجار العظيم بوقت قصير في ثقوب سوداء عملاقة تتراوح كتلها بين 100 مليون و10 مليارات مليار ضعف كتلة الشمس».
وتتنافس على تفسير المادة المظلمة مرشحات أخرى، منها جسيمات افتراضية مثل الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل (WIMPs) والأكسيونات. أما الثقوب السوداء البدائية فهي أجرام ضخمة افتراضية يمكن أن يُكشف وجودها بطريقة تختلف عن كشف الجسيمات. وكانت أعمال سابقة قد استبعدت تقريباً أن تفسّر الثقوب السوداء البدائية العادية المادة المظلمة كلها.
كيف بحث الفريق عن أثرها؟
اعتمد الباحثون على الخلفية الكونية الميكروية (CMB)، وهي الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم وأقدم ضوء يمكن رصده. وقد تحرّر هذا الضوء حين كان عمر الكون نحو 380 ألف سنة. ويبدو في معظمه ناعماً ومتجانس الخواص (isotropic)، لكن تقلّبات فيه كان يمكن أن تكشف وجود ثقوب سوداء بدائية أو ثقوب هائلة الضخامة.
وجاءت البيانات من القمر الاصطناعي Planck التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، الذي انتهت مهمته عام 2013. وربط الباحثون بياناته بمجموعات بيانات أحدث، واستخدموا ترشيحاً محسّناً للتداخل الذي تنتجه مجرة درب التبانة. ويمكن لقدرة حاسوبية أكبر وبيانات أحدث وترشيح أفضل أن تستخرج معلومات جديدة من بيانات Planck.
ثم وضع الفريق نماذج لتأثير هذه الثقوب وقارنها بالخلفية الكونية الميكروية المرصودة. وشرح نيكولاس لايستر (Nicholas Leister)، الفيزيائي في جامعة يوهانس غوتنبرغ في ماينز والمشارك في تأليف الدراسة، ما كان متوقعاً: «لو وُجدت هذه الثقوب بأعداد كبيرة واحتوت كميات معتبرة من المادة المظلمة، لتركت بصمة مميزة على الخلفية الكونية الميكروية عبر اضطراباتها الفريدة، أو بكلمة واحدة، لجعلتها خشنة الملمس».
غير أن الباحثين لم يجدوا هذه الخشونة المميزة في الخلفية الكونية الميكروية.
وتقول الدراسة إن الثقوب الهائلة الضخامة ذات الكتلة M≳10¹¹M⊙ تنتج اضطرابات من نوع «isocurvature» تتجاوز الحدود الحالية التي تفرضها بيانات Planck، وهي اضطرابات تقيّدها بيانات الخلفية الكونية الميكروية وبيانات التذبذبات الصوتية الباريونية (BAO). وكتب مؤلفو الدراسة: «نبيّن أن الثقوب السوداء البدائية في نطاق كتل الثقوب السوداء الهائلة الضخامة (M≳10¹¹M⊙) تنتج اضطرابات isocurvature تتجاوز حدود الخلفية الكونية الميكروية الحالية لبيانات Planck، وبذلك تُستبعد بوصفها مكوّناً مهماً من المادة المظلمة».
وأضافوا: «في هذا العمل، أظهرنا أن إنتاج ثقوب سوداء بدائية هائلة الضخامة سيولّد اضطرابات isocurvature كبيرة في المادة المظلمة، تقيّدها بيانات الخلفية الكونية الميكروية وبيانات التذبذبات الصوتية الباريونية تقييداً صارماً».
ونُشرت الدراسة، وعنوانها «إغلاق نافذة الكتلة أمام الثقوب السوداء الهائلة الضخامة»، في مجلة Physical Review Letters، وهي مجلة فيزياء بحثية. ويمكن الاطلاع على الورقة البحثية كاملة. وجاء العمل من جامعة يوهانس غوتنبرغ، حيث يقع تجمّع PRISMA++ Cluster of Excellence البحثي.
ماذا يعني ذلك لمجرّات ويب وموجات الجاذبية؟
في عام 2022 اقترحت دراسة بعنوان «تسريع تشكّل المجرات الضخمة المبكرة بالثقوب السوداء البدائية» أن تكون الثقوب السوداء البدائية جزءاً من المادة المظلمة وراء المجرّات الضخمة المبكرة التي رصدها JWST. وقد وضعت تلك المجرّات نماذج تشكّل المجرّات أمام تحدٍّ. ويقول مؤلفو الدراسة الجديدة إن نتائجهم «تتحدى كذلك السيناريوهات التي تنسب مرشّحات المجرّات الضخمة المبكرة التي رصدها تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى تقلّبات ناجمة عن الثقوب السوداء البدائية». ويعني ذلك أن التفسيرات القائمة على هذه الثقوب لتلك المرشّحات أصبحت أقل رسوخاً. وللاطلاع على الفرضية السابقة يمكن العودة إلى دراسة عام 2022.
والأمر نفسه ينطبق على خلفية موجات الجاذبية. فقد رصدت مصفوفات توقيت النجوم النابضة خلفية من موجات الجاذبية تنتشر في أرجاء الكون، واقترح بعض الباحثين أن تكون الثقوب الهائلة الضخامة مصدراً محتملاً لها. لكن لايستر يقول: «من غير المرجح أن تجيب الثقوب الهائلة الضخامة عن هذه الأسئلة، لأن نتائجنا تُظهر أنها لم تكن موجودة بأعداد كبيرة».
ما الذي بقي مفتوحاً؟
لا تعني النتيجة أن البحث عن مرشّحات المادة المظلمة انتهى، فهو مستمر. وقد تنشأ المادة المظلمة مجتمعةً من جسيمات وأجرام وظواهر مختلفة، لا من مصدر واحد. وتستبعد الدراسة فئة واحدة هي الثقوب الهائلة الضخامة بوصفها مكوّناً مهماً.
وعلّق Gerlach على ما أتاحته بيانات Planck: «إن استمرارنا في توليد رؤى جديدة عن تطور الكون وبنيته بعد 13 عاماً من إيقاف تشغيله يؤكد فقط مدى أهمية القمر Planck للفيزيائيين، ولا يزال كذلك». وختم لايستر: «لا يزال الكون المبكر يخبّئ ألغازاً كثيرة تنتظر الحل».
أخبار ذات صلة
جيريمي هانسن يروي لحظات الاحتراق داخل كبسولة أوريون عند العودة إلى الأرض
خريطة LOFAR الراديوية الأعمق لسماء الترددات المنخفضة
شهب الأسديّات عام 1966: 144 ألف شهاب في الساعة، هل تتكرر؟
