מחקר עדכני בוחן את הפוטנציאל של טלסקופ החלל הרומאי ננסי גרייס לגלות חורים שחורים קדומים במסת כדור הארץ, סוג תיאורטי של חורים שחורים שהאמינו כי נוצרו במהלך האינפלציה המהירה של היקום המוקדם. תגליות אלו יכולות לאשש תיאוריות של אינפלציה קוסמית ולהציע שחורים שחורים ראשוניים תורמים לחומר האפל, ומשפיעים עמוקות על ההבנה שלנו לגבי היווצרות הגלקסיות וההיסטוריה של היקום. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקרים חדשים מצביעים על ננסי גרייס טלסקופ החלל הרומי יכול לזהות חורים שחורים ראשוניים מהיקום המוקדם, ובכך לאשש את תפקידם באינפלציה קוסמית וכמרכיבים של חומר אפל.
כאשר אסטרופיזיקאים צופים בקוסמוס, הם רואים סוגים שונים של חורים שחורים. הם נעים בין חורים שחורים סופר-מסיביים ענקיים עם מיליארדי מסות שמש לחורים שחורים בעלי מסה בינונית (IMBH) שקשה למצוא אותם עד לחורים שחורים קטנים יותר בעלי מסה כוכבית.
אבל ייתכן שיש מחלקה נוספת של עצמים אלה: חורים שחורים ראשוניים (PBHs) שנוצרו ביקום המוקדם מאוד. אם הם קיימים, טלסקופ החלל הרומאי של ננסי גרייס אמור להיות מסוגל לזהות אותם.
הרעיון של אמן זה נוקט בגישה פנטסטית לדמיין חורים שחורים ראשוניים קטנים. במציאות, לחורים שחורים זעירים כאלה יהיה קשה ליצור את דיסקיות ההצטברות שהופכות אותם לגלויים כאן. אַשׁרַאי: נאס"אמרכז טיסות החלל של גודארד
היווצרות חורים שחורים
חורים שחורים בעלי מסה כוכבית נוצרים כאשר כוכבים מסיביים מתפוצצים כסופרנובות. SMBHs גדלים עם הזמן על ידי התמזגות עם חורים שחורים אחרים. כיצד נוצרים IMBHs עדיין לא ברור, אבל זה יכול להיות כרוך במיזוגים בין חורים שחורים במסה כוכבית או התנגשויות כוכבים מרובות בצבירי כוכבים צפופים.
לחורים שחורים ראשוניים, אם הם קיימים, לא היה אף אחד מהמנגנונים האלה זמין עבורם.
"אם נמצא אותם, זה יזעזע את תחום הפיזיקה התיאורטית."
— וויליאם דרוקו, חוקר פוסט-דוקטורט, אוניברסיטת קליפורניה סנטה קרוז.
התרשמות האמן ממיזוג חורים שחורים בינאריים. כשהם מתמזגים, הם פולטים גלי כבידה שמצפי כוכבים כמו LIGO יכולים לזהות. קרדיט: LIGO/A. סימונט
פיזיקה תיאורטית וטלסקופ החלל הרומי
אף אחד לא יודע אם קיימים חורים שחורים ראשוניים. הם תיאורטיים. שום תהליך פיזי שאנו מכירים לא יכול ליצור אותם. אבל היקום המוקדם היה שונה בהרבה.
מחקר חדש שפורסם ב סקירה פיזית ד מראה כיצד הטלסקופ הרומאי של ננסי גרייס הקרוב יכול לזהות את העצמים הקדמוניים האלה במסת כדור הארץ. הכותרת היא "חשיפת חורים שחורים ראשוניים במסה ארצית עם טלסקופ החלל הרומי של ננסי גרייס". המחבר הראשי הוא וויליאם דרוקו, חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קליפורניה סנטה קרוז.
"זיהוי אוכלוסיה של חורים שחורים קדומים במסת כדור הארץ יהיה צעד מדהים הן לאסטרונומיה והן לפיזיקת החלקיקים, מכיוון שאובייקטים אלה אינם יכולים להיווצר בשום תהליך פיזיקלי ידוע", אמר המחבר הראשי דרוקו. "אם נמצא אותם, זה יזעזע את תחום הפיזיקה התיאורטית."
PBHs יכלו להיווצר כאשר אזורים צפופים מדי ביקום האינפלציוני או המוקדם הנשלט בקרינה קרסו. קרדיט: ג'מה ווייט
תנאי היקום הקדום
ביקום המודרני, רק כוכבים בעלי לפחות שמונה מסות כוכבים יכולים להפוך לחורים שחורים. כוכבים פחות מסיביים יהפכו לכוכבי נויטרונים או לננסים לבנים. (השמש תהפוך לא ננס לבן.)
אבל הדברים היו שונים ביקום המוקדם. במהלך תקופה של ניפוח מהיר, החלל התרחב מהר יותר ממהירות האור. בתנאים יוצאי דופן אלה, אזורים צפופים עלולים לקרוס לתוך PBHs. קנה המידה של חפצים אלה קטן להפליא. הם יהיו בגודל של כדור הארץ או פחות ובעלי אופקי אירועים רחבים בערך כמו מטבע.
הפחות מסיבי מבין אלה היה נעלם עקב אידוי. זה מה שסטיבן הוקינג הבין. אבל חלקם, המסיביים כמו כדור הארץ, היו יכולים לשרוד.
סטיבן הוקינג הגה את הרעיון של אידוי חורים שחורים. הוא שיער שחורים שחורים מתכווצים לאט ככל שהקרינה בורחת. הדליפה האיטית של מה שמכונה כיום קרינת הוקינג תגרום, עם הזמן, לחור השחור פשוט להתאדות. אינפוגרפיקה זו מציגה את משך החיים המשוער ואופק האירועים – הנקודה שעברה שאובייקטים נופלים לא יכולים להימלט מאחיזת הכבידה של חור שחור – קטרים של חורים שחורים בעלי מסות קטנות שונות. קרדיט: מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א
תפקידה של מיקרועדשות בזיהוי חורים שחורים
למרות שהם תיאורטיים, יש כמה רמזים ראייתיים לנוכחותם. הרמזים האלה מגיעים ממיקרו-עדשות כבידה.
שני מאמצים השתמשו במיקרועדשות כדי לחקור אובייקטים ביקום. האחד הוא OGLE, ניסוי עדשות הכבידה האופטיות. אחר הוא MOA, Microlensing Observations in Astrophysics. OGLE מצא 17 עצמים מבודדים בעלי מסת כדור הארץ בחלל.
עצמים אלה יכולים להיות PBHs, או שהם יכולים להיות כוכבי לכת נוכלים. למרבה הצער, קשה מאוד להבדיל על בסיס אישי. אבל מכיוון שהתיאוריה חוזה את המסות ואת השפע של כוכבי לכת סוררים, זה יכול לספק דרך לטלסקופ הרומי להבדיל בינם לבין PBHs.
כוכב הלכת OGLE-2012-BLG-0950Lb זוהה באמצעות מיקרו-עדשת כבידה, תופעה הפועלת כזכוכית המגדלת של הטבע. קרדיט: LCO/D. בנט
"אין דרך להבחין בין חורים שחורים במסת כדור הארץ לכוכבי לכת סוררים על בסיס כל מקרה לגופו", אמר דרוקו. "רומן יהיה חזק ביותר בהבחנה בין השניים מבחינה סטטיסטית."
במחקר שלהם, המחברים מסבירים זאת בצורה מלאה יותר. "נקודת המפתח היא שלמרות שלא ניתן להפלות אירועי PBH ו-FFP על בסיס אירוע לאירוע, ניתן להבחין בין שתי האוכלוסיות על ידי ההתפלגות הסטטיסטית של משך האירועים שלהן." מדענים חושבים שרומן ימצא פי 10 עצמים בטווח המסה הזה מאשר מאמצים קרקעיים כמו OGLE ו-MOA.
ההשפעה של גילוי חורים שחורים ראשוניים
מציאת חורים שחורים ראשוניים תיצור מהפך גדול.
"זה ישפיע על כל דבר, החל מהיווצרות גלקסיות ועד לתוכן החומר האפל של היקום ועד להיסטוריה קוסמית", אמר קיילש סהו, אסטרונום במכון המדע של טלסקופ החלל בבולטימור. סהו לא היה מעורב במחקר אבל מבין את ההשפעה שתהיה לתוצאות. "אישור הזהות שלהם תהיה עבודה קשה ואסטרונומים יצטרכו הרבה שכנוע, אבל זה יהיה שווה את זה."
אם טלסקופ החלל הרומי יוכל למצוא את החורים השחורים ולאשר אותם, זה יכול להיות רגע מכונן בהיסטוריה האסטרונומית. התגלית תהיה עדות חזקה לטובת תקופה של אינפלציה מהירה ביקום המוקדם, תקופה שעד כה לא הוכחה. פיזיקאים חושבים שהיתה כנראה תקופה כזו מכיוון שהיא עוזרת להסביר כל כך הרבה דברים אחרים על היקום.
חורים שחורים ראשוניים וחומר אפל
יותר מרגש, החורים השחורים הקדמוניים האלה יכולים להוות אחוז של חומר אפל. אחוז קטן, אבל שיפור מסיבי לעומת ההבנה הנוכחית שלנו לגבי מהו חומר אפל. מדענים ממשיכים לחפש דברים כמו WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) וחלקיקים אחרים שיכולים להיות חומר אפל, אבל הם אף פעם לא מוצאים אותם.
"טבעו של החומר האפל נותרה אחת השאלות הפתוחות הדחופות ביותר בפיזיקה היסודית. בעוד שורות מרובות של ראיות משכנעות מצביעות על קיומו, הטבע המיקרופיזי שלה נותר לא ידוע", מסבירים המחברים.
הדבר האלגנטי ברומי וב-PBH הוא שלא ידרוש מאמץ מיוחד למצוא אותם. רומן כבר יחפש כוכבי לכת. "סקר זמן דומיין הגלקסיה של רומן (Roman's Galactic Bulge Time Domain) צפוי לצפות במאות אירועי מיקרו-עדשות במסה נמוכה, המאפשרים אפיון סטטיסטי חזק של אוכלוסייה זו", כותבים המחברים במאמרם.
טלסקופ החלל הרומאי של ננסי גרייס הוא מצפה כוכבים של נאס"א שנועד לפענח את סודות האנרגיה האפלה והחומר האפל, לחפש ולצלם כוכבי לכת אקזו-כוכבים ולחקור נושאים רבים באסטרופיזיקה אינפרא אדום. קרדיט: נאס"א
המשימה הרחבה יותר של טלסקופ החלל הרומי
כל טלסקופ חלל שאנו משגרים הוא חלון חדש לאספקט כלשהו של היקום. טלסקופ החלל הרומאי של ננסי גרייס בטוח יהיה. "למרות שסקר תחום ה-Galactic Bulge Time Domain מכוון לכוכבי לכת חיצוניים קשורים ולא קשורים, הראינו כי תהיה לו רגישות חסרת תקדים לפיזיקה גם מעבר למודל הסטנדרטי", כותבים דרוקו ושותפיו למחקר במאמרם. זה בגלל שהוא יכול "לחקור את חלקיק החומר האפל המורכב מחורים שחורים ראשוניים", הם כותבים.
"זו דוגמה מרגשת למשהו שמדענים נוספים יכולים לעשות עם נתונים שרומן כבר יקבל בזמן שהוא מחפש כוכבי לכת", אמר סהו. "והתוצאות מעניינות בין אם מדענים מוצאים ראיות לכך שקיימים חורים שחורים בגוש כדור הארץ. זה יחזק את הבנתנו את היקום בכל מקרה".
ומי לא רוצה הבנה חזקה יותר של היקום?
עיבוד ממאמר שפורסם במקור ב-Universe Today.
