לפני חמישים שנה הציע הפיזיקאי סטיבן הוקינג שייתכן שהחומר האפל הוא אוכלוסייה של חורים שחורים, שאולי נוצרו זמן קצר לאחר המפץ הגדול. הם גם התקיימו זמן קצר אבל השפיעו על הפרמטרים של היקום
על כל קילוגרם של חומר שאנו יכולים לראות – מהמחשב על שולחן העבודה ועד כוכבים וגלקסיות רחוקות – ישנם 5 קילוגרם של חומר בלתי נראה שממלא את סביבתנו. ה”חומר האפל” הזה הוא ישות מסתורית שנמנעת מכל צורת תצפית ישירה אך ניכרת בנוכחותה דרך המשיכה הבלתי נראית שלה על אובייקטים גלויים.
לפני חמישים שנה הציע הפיזיקאי סטיבן הוקינג שייתכן שהחומר האפל הוא אוכלוסייה של חורים שחורים, שאולי נוצרו זמן קצר לאחר המפץ הגדול.
חורים שחורים “קדמוניים” כאלה לא היו הענקים שאנו מזהים היום, אלא אזורים מיקרוסקופיים של חומר צפוף במיוחד שנוצרו בחלק החמישי של השנייה הראשונה לאחר המפץ הגדול ואז קרסו והתפזרו ברחבי הקוסמוס, תוך שהם משפיעים על המרחב-זמן סביבם בדרכים שיכולות להסביר את החומר האפל שאנו מכירים היום.
כעת, פיזיקאים מ-MIT גילו שתהליך קדמוני זה יכול היה לייצר גם תופעות משניות לא צפויות: חורים שחורים קטנים יותר עם כמויות חסרות תקדים של תכונה פיזיקאלית גרעינית המכונה “מטען צבע”.
חורים שחורים “סופר- טעונים” קטנים אלה היו במצב של חומר חדש לגמרי, הם כנראה התאדו חלקיק שנייה לאחר שנוצרו. עם זאת, הם עדיין יכלו להשפיע על שלב קוסמולוגי מרכזי: הזמן שבו נוצרו הגרעינים האטומיים הראשונים.
הפיזיקאים משערים שחורים שחורים בעלי מטען צבע יכלו להשפיע על האיזון של גרעינים מתמזגים, בצורה שאסטרונומים יוכלו לגלות בעתיד באמצעות מדידות. תצפית כזו תצביע באופן משכנע על חורים שחורים קדמוניים כשורש כל החומר האפל כיום.
“על אף שחורים שחורים) אקזוטיים וקצרי-חיים אלה אינם קיימים כיום, הם יכלו להשפיע על ההיסטוריה הקוסמית בדרכים שעשויות להופיע באותות עדינים כיום,” אומר דיוויד קייזר, פרופסור להיסטוריה של המדע ופרופסור לפיזיקה ב-MIT. “בתוך הרעיון שכל החומר האפל יכול להיות מוסבר על-ידי חורים שחורים, זה נותן לנו כיוון לגבי דברים חדשים שנוכל לחפש.”
קייזר והמחברת השותפה שלו, תלמידת התואר השני אלבה אלונסו-מונסאלבה מ-MIT, פרסמו את מחקרם בכתב העת Physical Review Letters.
לפני היווצרות הכוכבים
החורים השחורים שאנו מכירים ומגלים כיום הם תוצר של קריסת כוכבים, כאשר מרכז כוכב מאסיבי מתמוטט לתוך עצמו ויוצר אזור כל-כך צפוף שהוא יכול לכופף את המרחב-זמן כך שכל דבר, אפילו אור, נלכד בתוכו. חורים שחורים “אסטרופיזיקליים” כאלה יכולים להיות פי כמה פעמים מסיביים יותר מהשמש ועד מיליארדי פעמים יותר מסיביים.
לעומת זאת, חורים שחורים “קדמוניים” יכולים להיות קטנים הרבה יותר ומאמינים שנוצרו בזמן שלפני הופעת הכוכבים. לפני שהיקום יצר אפילו את היסודות הבסיסיים, לא כל שכן כוכבים. מדענים מאמינים שכיסים של חומר קדמוני צפוף במיוחד יכלו להצטבר ולהתמוטט ליצירת חורים שחורים מיקרוסקופיים שיכלו להיות כל כך צפופים שהם דחסו את המסה של אסטרואיד לאזור קטן כמו אטום יחיד. המשיכה הגרביטציונית מאותם אובייקטים זעירים ובלתי נראים שהתפזרו ברחבי היקום יכולה להסביר את כל החומר האפל שאיננו יכולים לראות כיום.
אם זה היה המקרה, ממה היו עשויים אותם חורים שחורים קדמוניים? זו השאלה שקייזר ואלונסו-מונסאלבה חקרו במחקרם החדש.
“אנשים חקרו מה הייתה ההתפלגות של מסות חורים שחורים בזמן יצירתם ביקום הקדום אך מעולם לא קישרו זאת לסוגי החומר שנפלו לתוך החורים השחורים באותו זמן שהם נוצרו,” מסביר קייזר.
חורים שחורים סופר- טעונים
הפיזיקאים מ-MIT בחנו תחילה תיאוריות קיימות להתפלגות הסבירה של מסות חורים שחורים כפי שנוצרו ביקום הקדום.
“ההבנה שלנו הייתה שישנה קורלציה ישירה בין מתי נוצר חור שחור קדמוני ובאיזו מסה הוא נוצר,” אומרת אלונסו-מונסאלבה. “והחלון הזה של זמן הוא מוקדם בצורה אבסורדית.”
היא וקייזר חישבו שחורים שחורים קדמוניים היו חייבים להיווצר בתוך החלק החמישית של השנייה הראשונה לאחר המפץ הגדול. פרק זמן זה היה מייצר חורים שחורים מיקרוסקופיים “טיפוסיים” שהיו מסיביים כמו אסטרואיד וקטנים כמו אטום. הוא היה מייצר גם חלק קטן של חורים שחורים קטנים בצורה אקספוננציאלית, עם מסה של קרנף וגודל קטן בהרבה מפרוטון יחיד.
ממה היו עשויים חורים שחורים קדמוניים אלה? לשם כך, הם בחנו מחקרים שחקרו את הרכב היקום הקדום, ובפרט, את תאורית הכרומודינמיקה הקוונטית (QCD) – חקר האינטראקציות בין קווארקים וגלואונים.
קווארקים וגלואונים הם אבני הבניין הבסיסיות של פרוטונים וניוטרונים – חלקיקים יסודיים שהתחברו כדי ליצור את היסודות הבסיסיים של הטבלה המחזורית. מיד לאחר המפץ הגדול, פיזיקאים מעריכים, על בסיס QCD, שהיקום היה פלזמה חמה מאוד של קווארקים וגלואונים שהתקררה במהירות והתחברה ליצירת פרוטונים וניוטרונים.
החוקרים משערים שבתוך החלק החמישית של השנייה הראשונה, היקום היה עדיין מרק של קווארקים וגלואונים חופשיים שטרם התחברו. כל חור שחור שנוצר בזמן זה היה בולע את החלקיקים הבלתי קשורים, יחד עם תכונה אקזוטית המכונה “מטען צבע” – מצב של מטען שרק קווארקים וגלואונים בלתי מחוברים נושאים.
“ברגע שהבנו שהחורים השחורים נוצרים בפלזמה של קווארק-גלואון, הדבר החשוב ביותר שהיינו צריכים להבין היה, כמה מטען צבע מכיל גוש החומר שיסתיים בחור שחור קדמוני?” אומרת אלונסו-מונסאלבה.
באמצעות תאוריית QCD, הם חישבו את ההתפלגות של מטען הצבע שהיה קיים בפלזמה החמה הקדומה. לאחר מכן הם השוו זאת לגודל של אזור שיקרוס ליצירת חור שחור בחלק החמישית של השנייה הראשונה. מתברר שלא היה הרבה מטען צבע ברוב החורים השחורים הטיפוסיים בזמן ההוא, שכן הם היו נוצרים על-ידי ספיגה של מספר גדול של אזורים שהיו בהם תערובת של מטענים, שהיו בסופו של דבר “נייטרליים” במטען.
אבל החורים השחורים הקטנים ביותר היו עמוסים במטען צבע. למעשה, הם היו מכילים את הכמות המקסימלית של כל סוג של מטען שמותר לחור שחור, על-פי חוקי היסוד של הפיזיקה. על אף שבמשך עשורים שיערו שחורים שחורים חריגים אלו היו קיימים, עד כה אף אחד לא גילה תהליך מציאותי שבאמצעותו חורים שחורים מוזרים כאלה יכלו להיווצר ביקום שלנו.
החורים השחורים הסופר- טעונים היו מתאדים במהירות, אבל אולי רק לאחר תחילת היווצרות הגרעינים האטומיים הראשונים. מדענים מעריכים שתהליך זה התחיל סביב שנייה לאחר המפץ הגדול, מה שהיה נותן לחורים שחורים חריגים אלה זמן רב להפר את תנאי שיווי המשקל שהיו קיימים כאשר החלו להיווצר הגרעינים הראשונים. הפרעות כאלה יכלו להשפיע על האופן שבו נוצרו הגרעינים הראשונים, בצורה שייתכן שניתן יהיה לצפות בה בעתיד.
“עצמים אלה יכלו להשאיר כמה טביעות תצפיתיות מרגשות,” מהרהרת אלונסו-מונסאלבה. “הם יכלו לשנות את האיזון של זה מול זה, וזה סוג הדברים שאפשר להתחיל לתהות עליהם.”
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
אולי קצת תצטנעו
אחרי מאתיים שנה של חקר חסר לכם המון ידע וכל הזמן מתגלים עובדות חדשות
לא להיות כל החלטיים בכל כתבה