احتمالا شاهد انفجار نوع خاصی از سیاه‌چاله بوده‌ایم

به گزارش ایسنا، بشریت خود را در موقعیتی قرار داده است که می‌تواند یک ذره پرانرژی را از فضا تشخیص دهد و از خود بپرسد که از کجا آمده است. میلیاردها نفر احتمالاً به چنین مسائلی اهمیتی نمی‌دهند، اما برای کسانی که ذاتاً کنجکاو هستند و به اندازه کافی خوش‌شانس هستند که وقت داشته باشند کنجکاوی خود را ارضا کنند، یک نوترینوی بسیار پرانرژی که در سال ۲۰۲۳ شناسایی شد، یک رویداد قابل توجه بود و حتی ممکن است به یک رویداد تاریخی تبدیل شود.

تلسکوپ نوترینوی کیلومتر مکعبی یا KM3NeT، نوترینوی بسیار پرانرژی را از محل خود در کف دریای مدیترانه شناسایی کرد. این ذره با انرژی ۲۲۰ پیکوالکترون‌ولت، پرانرژی‌تر از هر چیزی بود که در قدرتمندترین شتاب‌دهنده ذرات ما موسوم به «برخورددهنده بزرگ هادرونی» تولید می‌شود.

خورشید جریانی بی‌وقفه از نوترینوها به نام «نوترینوهای خورشیدی» منتشر می‌کند، اما آنها خیلی پرانرژی نیستند.

«KM3-230213A»، نامی که به نوترینوی ۱۰۰ پیکوالکترون‌ولتی داده شده است، خروجی نوترینوی خورشید را کوچک جلوه می‌دهد. آن رویداد یک میلیارد برابر پرانرژی‌تر از نوترینوی خورشیدی معمولی بود.

فهرست طولانی از پدیده‌های اخترفیزیکی وجود ندارد که بتوانند به طور بالقوه نوترینویی مانند این را تولید کنند. در واقع، هیچ شیء یا فرآیندی که در حال حاضر به خوبی درک شده باشد، نمی‌تواند آن را توضیح دهد.

توضیحات شامل گذراهای نوری با قدرت تپ‌اخترها، انفجارهای پرتو گاما، واپاشی ماده تاریک، هسته‌های فعال کهکشانی، ادغام سیاه‌چاله‌ها و چندین توضیح بر اساس انواع مختلف سیاه‌چاله‌های اولیه یا ابتدایی است.

تحقیقات جدیدی که در مجله Physical Review Letters توضیح داده شده، توضیح دیگری دارد و این یکی بر اساس سیاه‌چاله‌های اولیه است. عنوان این پژوهش، «توضیح شارهای نوترینوی پیکوالکترون‌ولتی در KM3NeT و IceCube با سیاه‌چاله‌های اولیه شبه‌اکسترمال» است و نویسنده اصلی آن مایکل بیکر(Michael Baker)، استادیار فیزیک در دانشگاه ماساچوست امهرست(Massachusetts, Amherst) است.

محققان می‌گویند: آزمایش KM3NeT اخیراً یک نوترینو با انرژی حدود ۱۰۰ پیکوالکترون‌ولت را مشاهده کرده است و IceCube پنج نوترینو با انرژی بالاتر از ۱ پیکوالکترون‌ولت را شناسایی کرده است. در حالی که هیچ منبع اخترفیزیکی شناخته‌شده‌ای وجود ندارد، انفجار سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانسته این نوترینوهای پرانرژی را تولید کرده باشد.

سیاهچاله‌های اولیه(PBH) کاملاً فرضی هستند. این نظریه می‌گوید که PBHها برخلاف سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای، برای تشکیل شدن نیازی به انفجار و فروپاشی یک ستاره عظیم ندارند. در عوض، آنها بلافاصله پس از مه‌بانگ(بیگ بنگ) از توده‌های متراکم ماده زیر اتمی تشکیل شدند، زمانی که فیزیک زیربنایی جهان بسیار متفاوت بود.

PBHها بسیار کوچکتر از سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای هستند، اما هنوز هم فوق‌العاده متراکم هستند و ضرب‌المثل قدیمی که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند از سیاه‌چاله فرار کند، هنوز در مورد آنها صدق می‌کند، اما PBHها چیز دیگری را با پسرعموهای خود به اشتراک می‌گذارند که «تابش هاوکینگ» نام دارد.

استیون هاوکینگ ایده تابش هاوکینگ(HR) را توسعه داد. این ایده می‌گوید که با گذشت زمان، تابش هاوکینگ، جرم یک سیاه‌چاله را کاهش می‌دهد و در نهایت یک سیاه‌چاله تبخیر می‌شود، مگر اینکه ماده بیشتری را جذب کند.

متاسفانه تابش هاوکینگ معمولاً آنقدر ضعیف است که حتی زیر آستانه تشخیص تلسکوپ‌های توانمند ما قرار دارد. اگرچه در اطراف سیاه‌چاله‌های با جرم ستاره‌ای قابل تشخیص نیست، اما وقتی صحبت از PBHهای بسیار سبک‌تر می‌شود، وضعیت ممکن است متفاوت باشد.

آندره تام(Andrea Thamm)، استادیار فیزیک در دانشگاه ماساچوست آمهرست در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: هرچه یک سیاه‌چاله سبک‌تر باشد، باید داغ‌تر باشد و ذرات بیشتری منتشر کند. همانطور که PBHها تبخیر می‌شوند، آنها سبک‌تر و داغ‌تر می‌شوند و در یک فرآیند فرار تا زمان انفجار، تابش بیشتری ساطع می‌کنند. این تابش هاوکینگ است که تلسکوپ‌های ما می‌توانند آن را تشخیص دهند.

همانطور که PBHها از طریق HR فرّار تبخیر می‌شوند، در نهایت یک انفجار نهایی را تجربه می‌کنند. در ثانیه آخر، آنها بسیار داغ می‌شوند و دچار تبخیر انفجاری می‌شوند. این عمل نهایی می‌تواند نوترینوهای پرانرژی مانند KM3-230213A تولید کند.

محققان فکر می‌کنند که این اتفاق می‌تواند تقریباً هر دهه رخ دهد و این انفجارها می‌توانند انبوهی از ذرات زیر اتمی تولید کنند. نه فقط آنهایی که ما در مورد آنها می‌دانیم، مانند الکترون‌ها و کوارک‌ها، بلکه آنهایی که در حال حاضر فقط فرضیه هستند و سایر ذراتی که ممکن است کاملاً ناشناخته باشند.

تیم تحقیقاتی فکر می‌کند که KM3-230213A می‌تواند گواهی بر تبخیر PBH باشد، اما یک مشکل وجود دارد. رصدخانه نوترینوی IceCube این رویداد را شناسایی نکرده است و در واقع هرگز هیچ نوترینویی را که به اندازه KM3-230213A پرانرژی باشد، شناسایی نکرده است.

اگر هر دهه یک انفجار تبخیر PBH رخ می‌دهد، آیا IceCube نباید حداقل یکی را شناسایی می‌کرد؟ IceCube به مدت ۲۰ سال است که مشغول رصد است.

محققان می‌گویند ممکن است نوع غیرمعمولی از PBH در این امر دخیل باشد.

خواکیم ایگواز خوان(Joaquim Iguaz Juan)، محقق فوق دکترا در دانشگاه ماساچوست آمهرست و یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید: ما فکر می‌کنیم PBHهایی با «بار تاریک» (آنچه ما PBHهای شبه‌افراطی می‌نامیم) حلقه گمشده هستند.

محققان می‌گویند که PBHهای دارای بار تاریک که اساساً یک نسخه فرضی بسیار سنگین از الکترون (یک «الکترون تاریک») هستند، بیشتر وقت خود را در حالت شبه اکسترمال می‌گذرانند. در این حالت، PBH تقریباً در حداکثر نسبت بار به جرم ممکن خود قرار دارد.

تلسکوپ‌های IceCube و KM3NeT برای انرژی‌های مختلف تنظیم شده‌اند. IceCube به ۱۰ پیکوالکترون‌ولت محدود است و این می‌تواند توضیح دهد که چرا هرگز KM3-230213A را شناسایی نکرده است.

برای «بیکر»، پیچیدگی افزوده شده PBH بار تاریک، صحت بیشتری به توضیح آنها می‌بخشد.

بیکر می‌گوید: مدل بار تاریک ما پیچیده‌تر است، به این معنی که ممکن است مدل دقیق‌تری از واقعیت ارائه دهد. نکته جالب این است که می‌بینیم مدل ما می‌تواند این پدیده غیرقابل توضیح را توضیح دهد.