يمكن لنوع غريب من الثقوب السوداء أن يحل ثلاثة ألغاز كونية في وقت واحد

يتم فصل الزمان والمكان عن بعضهما البعض. في كل ثانية تمر، يتوسع الكون بشكل أسرع وأسرع. ومع ذلك، فإن ما يدفع هذا التسارع الدراماتيكي لا يزال لغزًا، وهو لغز عرفه العلماء وبحثوا عنه لعقود من الزمن. ومع ذلك، فإننا لسنا أقرب إلى فهم ذلك. نحن نسميها الطاقة المظلمة، لكننا لا نعرف شيئًا تقريبًا عن ماهيتها أو من أين تأتي. ومع ذلك، فهي تشكل حوالي 68% من الكون.

ومع ذلك، سيكون من المعقول أن نفترض أن هذا اللغز لا علاقة له بالثقوب السوداء: فهي كائنات عملاقة قوية جدًا في الجاذبية، لدرجة أنه بمجرد رسم شيء ما عبر نقطة معينة، لا يمكنه الهروب أبدًا. إنهم يجذبون المادة نحوهم، فكيف يمكن أن يقودوا توسع الكون؟ لكن هذا بالضبط ما تقترحه مجموعة صغيرة من علماء الفيزياء الفلكية.

القصة كالتالي: كل المادة التي تسقط في الثقوب السوداء تمر عبر عملية تحولها إلى نوع من الإشعاع. وهذا بدوره يؤثر بقوة على الفضاء المحيط به. سيكون مثل هذا التأثير صغيرًا جدًا بحيث لا يمكن ملاحظته في المحيط المباشر، ولكن بجمع كل الثقوب السوداء في الكون، يبدأ في التصاعد إلى شيء يمكن أن يدفع كل شيء بعيدًا عن كل شيء آخر.

بدأت هذه الفكرة الجامحة على الهامش، وظهرت في العديد من التكرارات على مر العقود. لكن المزيد والمزيد من علماء الكونيات قد اهتموا بها على مدى السنوات القليلة الماضية – حيث تبين أنها تقدم تفسيرا محتملا ليس لواحد، وليس اثنين، بل لثلاثة ألغاز في الكون. يقول كيفن كروكر، عالِم الكونيات في جامعة ولاية أريزونا: «لم يعد الأمر هامشيًا». “إنه أمر مثير للجدل إلى حد كبير، لكنه ليس هامشيا.”

تقدم الثقوب السوداء نفسها كمصدر محتمل للطاقة المظلمة على وجه التحديد لأنها محيرة للغاية. يقول نيايش أفشوردي، عالم الكونيات في جامعة واترلو في كندا: “إن معظم الهياكل الموجودة في الكون، مثل المجرات والمجموعات العنقودية، لها تأثير ضئيل للغاية على الطاقة المظلمة. ولكن كان هناك دائمًا استثناء واحد محتمل”. “الثقوب السوداء [after all] أكثر غموضًا من أي شيء آخر.”

تفرد الثقب الأسود

كل ذلك يعود إلى النقطة الموجودة في مركز الثقب الأسود، حيث تكون الجاذبية قوية جدًا لدرجة أن المادة تنضغط إلى كثافة لا نهائية. يُعرف هذا باسم التفرد الفيزيائي الفلكي، وقد كان يُنظر إليه دائمًا على أنه عنصر نائب للفيزياء التي لم نفهمها بعد. يقول جريجوري تارلي، عالم الكونيات وعالم الفيزياء الفلكية بجامعة ميشيغان، وهو شخصية بارزة في دراسة هذه الثقوب السوداء المقترنة كونيًا، والتي سُميت بهذا الاسم لأنها ستقترن بسلوك الكون واسع النطاق: “لا أحد يؤمن بالتفرد”. في الواقع، يقول، هناك شيء يمنع التفرد من التشكل. “ما سيوقف ذلك هو إذا تحولت المادة التي تسبب هذا الانهيار بطريقة أو بأخرى إلى طاقة مظلمة.”

لا أحد يعرف بالضبط كيف سيحدث ذلك. لكن تارلي يقارنها باللحظات الأولى للكون، عندما كان كل شيء عبارة عن حساء ساخن من الإشعاع. وفي اللحظات التي تلت الانفجار الأعظم، برد الكون وتجمع الكثير من هذا الإشعاع ليشكل مادة. وداخل الثقوب السوداء المقترنة كونيًا، ستحدث هذه العملية بشكل عكسي. ومع ذلك، لن يؤثر هذا على جاذبيتهم، والتي تعتمد على كثافة الطاقة، وليس المادة على وجه التحديد.

يقول ماسيميليانو رينالدي، الفيزيائي وعالم الكونيات بجامعة ترينتو في إيطاليا: “إذا حاولت فهم كيف يمكن لجسيم واحد من الغبار أن يتحول إلى إشعاع، فهذا غير معروف”. “لكننا نفترض أن ذلك يمكن أن يحدث، وهذا التحول ليس مجنونا كما يبدو”.

هذا المقال جزء من عددنا الخاص حول أزمة علم الكونيات
اكتشف الحزمة الكاملة هنا

لفترة طويلة، كان هناك إجماع على أن الثقوب السوداء لا يمكنها التأثير إلا على محيطها المباشر. يقول كروكر، أحد رواد مفهوم الثقب الأسود المقترن كونيًا: “كانت الفكرة نوعًا ما: “ما يحدث في فيجاس، يبقى في فيجاس”، لكن هذا ليس صحيحًا”. “يحب الناس طرح حجة سببية: لماذا يمكن أن تؤثر هذه الأشياء هنا على الأشياء البعيدة جدًا؟ لكنها ليست واحدة منها فقط، بل هناك الكثير منها، وهي في كل مكان. إنه هذا التأثير الكلي”.

ويقول إنه إذا ألقيت مجموعة من المادة في ثقب أسود واحد مقترن كونيًا، فقد لا يؤثر ذلك على الكون بشكل كبير. ومن ناحية أخرى، إذا كان لديك أسطول من الشاحنات القلابة الكونية التي تصب المادة في هذه الثقوب السوداء في جميع أنحاء الكون، فيمكنك تسريع توسعها. إنه يشبه إلى حد ما بالونًا مملوءًا بالعديد من البالونات الصغيرة: قم بتضخيم البالونات الصغيرة وسيضطر البالون الكبير إلى التوسع أيضًا. إذا كانت هذه الثقوب السوداء حقيقية، فيجب أن تكون مرتبطة بشكل لا ينفصم بالبنية العامة للكون.

أدلة على وجود ثقوب سوداء مقترنة كونيًا

والأمر ليس كله نظريًا أيضًا. أول دليل على أن الثقوب السوداء قد تكون مقترنة كونيًا جاء في عام 2023 مع اكتشاف كروكر وتارلي وزملائهما أن البالونات الصغيرة تبدو، في الواقع، تتوسع: يبدو أن الثقوب السوداء عبر الكون تنمو بسرعات عالية بشكل غير متوقع. وحتى ما يسميه كروكر الثقوب السوداء فائقة الكتلة “المملة إلى الحد الأقصى”، والتي بالكاد تنمو على الإطلاق، تواكب توسع الكون. “كانت هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها شيئًا مهمًا يقول أنه بمجرد أن تتشكل الثقوب السوداء، فإنها تخلق هذه الطاقة المظلمة، ومن ثم [dark] يقول تارلي: “تنمو الطاقة مع توسع الكون”.

ربما يكون أكبر اعتراض على هذه الفرضية هو أننا ليس لدينا أي فكرة عما ستبدو عليه الثقوب السوداء المقترنة كونيًا أو كيف ستتصرف بالضبط. يقول رينالدي: “المشكلة هي أننا لا نملك حلًا دقيقًا رياضيًا يصف هذه الأشياء، فلدينا متوسط”. وبدون هذا الحل، من المستحيل معرفة، على سبيل المثال، ما إذا كان سلوك الثقوب السوداء المقترنة كونيًا أثناء اندماجها يتطابق مع الملاحظات التي لدينا عن تلك العملية. ويقول: “المهمة صعبة للغاية، لأن المعادلات مروعة، ولكن قد يكون هناك تقدم كبير في مرحلة ما – الأمر يحتاج فقط إلى الوقت”.

في السنوات القليلة التي تلت تطوير الفكرة لأول مرة، حولها الوقت والبحث المكثف من كونها شيئًا مرفوضًا من قبل العديد من علماء الكونيات الجادين إلى شيء يُنظر إليه على الأقل على أنه معقول. أحد أسباب ذلك هو أنه يبدو متطابقًا مع بعض النتائج المحيرة الأخيرة الصادرة عن أداة تحليل الطاقة المظلمة (DESI) في أريزونا.

نتائج ديسي

يقوم DESI بقياس مواقع ملايين المجرات عبر الكون، وبناء خريطة دقيقة لكيفية تغير المسافات بينها على مدار التاريخ الكوني. تسمح لنا هذه المسافات بحساب مدى سرعة توسع الكون عبر العصور المختلفة. وعلى مدار العامين الماضيين، تم إصدار النتائج الأولى. يقترحون أن الطاقة المظلمة قد تضعف بمرور الوقت، وهو ما كان بمثابة قنبلة: فالنموذج القياسي لعلم الكونيات يتطلب أن تكون الطاقة المظلمة ثابتة. يقول تارلي: “عند رؤية البيانات للمرة الأولى، انفتحت أفواهنا نوعًا ما”. “كان من الواضح جدًا أن الطاقة المظلمة تتغير بمرور الوقت.”

ولكن إذا كانت تأثيرات الطاقة المظلمة تأتي من الاقتران الكوني بالثقوب السوداء، فإن نتائج DESI منطقية. يتبع تشكل الثقوب السوداء نفس اتجاه تشكل النجوم، الذي بلغ ذروته منذ حوالي 10 مليارات سنة، ويتباطأ بشكل مطرد منذ ذلك الحين. لن يفسر هذا فقط انخفاض كمية الطاقة المظلمة التي أشار إليها DESI، بل سيساعد أيضًا في تفسير لغز كوني كبير آخر.

يرتبط توتر هابل بالتناقض بين الطريقتين الرئيسيتين لحساب توسع الكون، إحداهما تعتمد على قياسات الأجسام القريبة نسبيًا، والأخرى تعتمد على استخدام النموذج القياسي لعلم الكون لاستقراء المستقبل من قياسات الضوء المتبقي من الانفجار الأعظم. إن إضافة ثقوب سوداء مقترنة كونيًا إلى نموذجنا لعلم الكونيات قد لا يحل هذه المشكلة تمامًا، لكنه يخفف التوتر بشكل كبير من خلال تقديم تفسير لسبب تقديم الطريقتين لنتائج متضاربة: فالأزمنة التي بحثا فيها في التاريخ الكوني كانت لها معدلات توسع مختلفة.

هناك العديد من التفسيرات المقترحة الأخرى لتوتر هابل والضعف الواضح في الطاقة المظلمة، لكنها تميل إلى الاعتماد على ظواهر افتراضية غريبة تتجاوز فهمنا القياسي للفيزياء. “[The idea of cosmologically coupled black holes] يقول رينالدي: “يعتمد على النسبية العامة ولا شيء آخر – وهذه ميزة إضافية”. ولعل من المدهش أن هذا يجعلها اقتراحًا محافظًا نسبيًا في سياق هاتين المشكلتين.

الآن، أضاف تارلي وكروكر ومجموعة من الزملاء دليلًا آخر إلى ما يسمونه “البراز ثلاثي الأرجل” من الملاحظات التي تتوافق مع توقعاتهم. تختلف هذه المرحلة الأخيرة قليلًا عن المرحلتين الأخريين، حيث إنها تمثل لغزًا في فيزياء الجسيمات. يسمح سلوك الكون لعلماء الكونيات بوضع ميزانية لكمية الكتلة التي يحتوي عليها، والتي يمكن بعد ذلك استخدامها لحساب كتلة كل نوع من الجسيمات.

كل هذا جيد وجيد، باستثناء ما يتعلق بالنيوترينوات، وهي جسيمات صغيرة -ولكنها ليست عديمة الكتلة- والتي نادرًا ما تتفاعل مع مادة أخرى، لدرجة أنه يشار إليها أحيانًا باسم “الجسيمات الشبحية”. مع الأخذ بعين الاعتبار بيانات DESI الجديدة، ستحتاج النيوترينوات إلى كتلة سالبة حتى تنجح حسابات الميزانية. وبما أنه لا ينبغي السماح لها أن تكون سالبة، فيجب أن تكون صفرًا.

لكن إذا كانت المادة تتحول إلى طاقة مظلمة داخل الثقوب السوداء، فإن ذلك يؤثر على توازن الكون. من شأن الثقوب السوداء المقترنة كونيًا أن تفسح المجال في ميزانية الكتلة عن طريق تحويل المادة العادية إلى طاقة مظلمة. اتضح أنها ستخلق مساحة كافية للنيوترينوات ليس فقط للحصول على كتلة موجبة، بل أيضًا لتتوافق مع القياسات التجريبية.

هل هذه الأدلة الثلاثة كافية لإثبات فرضية وجود ثقوب سوداء مقترنة كونيًا بشكل كامل؟ يقول كروكر: “في الوقت الحالي، يحتوي كرسي الأدلة الذي قدمناه على ثلاث أرجل. ونعتقد أنه يمكننا الجلوس عليه”. “قد يعتقد أشخاص آخرون في المجتمع أن هذا أمر خطير، ولكن آمل أن يقفز بعض الأشخاص الآخرين على هذا أيضًا في مرحلة ما.”

وقد بدأ ذلك يحدث بالفعل. تم إجراء البحث السابق حول الثقوب السوداء المقترنة كونيًا من قبل مجموعات بحثية صغيرة، تضم كل منها عددًا قليلاً من المتعاونين، لكن الورقة الأخيرة، حول كتل النيوترينو، تضم 50 مؤلفًا مشاركًا.

وكما هي الحال دائما مع هذا النوع من الاقتراحات المثيرة للجدل، فإن ما يحتاج إليه الباحثون حقا هو نماذج أفضل ــ وفي هذه الحالة، حلول للمعادلات “الفظيعة” ــ والمزيد من البيانات. والأخير، على الأقل، قادم. لا يزال معهد DESI يجمع المزيد من عمليات الرصد للمجرات، كما تجري حاليًا العديد من المسوحات الكبيرة الأخرى للكون. يقول أفشوردي: “إنها قصة بوليسية: هناك مشتبه به واضح يتصرف بشكل مريب للغاية، وهناك جريمة واضحة”. مع وجود ثلاثة أدلة تشير إلى أن الثقوب السوداء قد تكون وراء التوسع المتسارع للكون، فإن المزيد والمزيد من المحققين يتابعون هذه القضية. “لكن الجزء الأصعب بالطبع هو إقامة هذا الارتباط.”

حدث مجاني للمشتركين – الكون: ما الخطأ الذي ارتكبناه؟

إذا كانت الطاقة المظلمة تتغير بالفعل، فماذا يعني ذلك بالنسبة لفهمنا للكون؟ انضم إلى زملائك المشتركين في حدثنا عبر الإنترنت مع الخبراء كاثرين هيمانز وآدم ريس في مناقشة مباشرة تستضيفها ليا كرين في 24 مارس.