چالش این است که هیچ چیز در این جهان ساده نیست. و اگر قرار است چیزی از قسمت امروز یاد بگیرید، بگذارید همین باشد. هرگز اجازه ندهید در دام پاسخهای ساده برای سوالات دشوار بیفتید. ما کیهانشناس هستیم، ما جهان را آنطور که هست مطالعه میکنیم، نه آنطور که آرزو داریم باشد.
برای آزمایش اینکه آیا سیاهچالههای اولیه میتوانند کاندیدای مناسبی برای ماده تاریک باشند، ابتدا باید آنها را بسازید. این بدان معناست که به فیزیک مربوط به جهان اولیه نیاز دارید؛ فیزیکی که به اندازه کافی خوب آن را درک کنید تا بتوانید با اطمینان بگویید که کیهان خود به خود سیاهچالهها را ایجاد میکند. خب، چند تا؟ و چقدر بزرگ هستند؟ و آیا همه آنها به یک اندازه هستند یا پراکندگی دارند؟ و اگر پراکندگی وجود دارد، این پراکندگی چقدر است؟ آیا ما از سیاهچالههای میکروسکوپی گرفته تا آنهایی که رقیب سیاهچالههای بزرگ دوران مدرن هستند، صحبت میکنیم؟ برای پیشبرد یک نظریه، باید یک مکانیسم تشکیل قابل قبول ارائه دهید و چیزی کمی ملموستر از “اوه بله، تعداد زیادی سیاهچاله وجود دارد” بگویید.
در مرحله بعد، باید مدلسازی کنید که این سیاهچالهها چگونه با جهان اولیه تعامل دارند. ما میدانیم که آنها قادر به انجام چند کار هستند: آنها ماده را جمع میکنند، تابش هاوکینگ ساطع میکنند و میتوانند با هم ادغام شوند. و نحوه شروع آنها بر همه اینها تأثیر میگذارد. شاید مدل شما تعداد بسیار زیادی از سیاهچالههای بسیار کوچک را تولید کند که قبل از زمان حال تبخیر شدهاند. اما در جهان اولیه، آن تبخیر منبعی از گرما را فراهم میکرد که ممکن است باعث ایجاد هستهزایی یا خواص تابش زمینه کیهانی شود.
همین امر در مورد ادغام نیز صدق میکند. بسته به اینکه چگونه این موجودات کوچک اولیه را پرورش میدهید، ممکن است مرتباً ادغام شوند یا اصلاً ادغام نشوند. و این سرعت ادغام، اثرات جانبی بر بقا و تشخیص آنها (و توانایی آنها برای ایفای نقش ماده تاریک) دارد. ادغام بیش از حد، اساساً تعداد آنها را از بین میبرد. اگر به اندازه کافی نباشد، ممکن است خیلی زود تبخیر شوند.
سپس وقتی از جهان اولیه عبور میکنید، این سیاهچالهها، اگر واقعاً ماده تاریک باشند، از طریق گرانش خود بر بقیه کیهان تأثیر میگذارند. شاید آنها تمایل دارند به مراکز کهکشانها فرو بروند، که اندازهگیری سرعت چرخش را مختل میکند. شاید آنها واقعاً دوست دارند ادغام شوند، به این معنی که هنگام ادغام، امواج گرانشی زیادی منتشر میکنند. شاید فقط زیرمجموعه خاصی از آنها با گذشت زمان زنده میمانند، به این معنی که ظاهر آنها به عنوان ماده تاریک ممکن است تغییر کند.
همه چیز به طرز شگفت انگیزی بهم ریخته است، به همین دلیل است که برخی افراد تمام دوران کاری خود را وقف مطالعه آنها کردهاند.
اما میتوانیم با اطمینان برخی چیزها را بگوییم. اگر سیاهچالهها خیلی کوچک باشند، یعنی کمتر از برد سیارکهای بزرگ، تا الان تبخیر شده باشند، که اگر لازم باشد آنها در فضا بمانند و منابع گرانش نامرئی باشند، توجیهی ندارد.
و اگر آنها ترکیبی خاص از جرم و فراوانی داشته باشند – مثلاً یک میلیونیم جرم خورشید تا چند برابر بزرگتر از آن، و به اندازه کافی فراوان باشند تا ماده تاریک را توضیح دهند – پس ما باید نور چشمک زن ستاره را از این سیاهچالههای بزرگ که در فضای بین ستارهای سرگردان هستند، دریافت کرده باشیم. وقتی آنها از مقابل یک ستاره عبور میکنند، خم شدن نور باعث بزرگنمایی مختصری میشود. به این پدیده میکرولنزینگ میگویند و ما از این برای شناسایی سیارات فراخورشیدی سرگردان استفاده کردهایم، اما هیچ نشانهای از سیاهچالههای فراوان وجود نداشته است.
و اگر آنها خیلی بزرگ باشند، مثلاً هزاران یا دهها هزار برابر جرم خورشید، در آن صورت در کیهان اولیه، داغ و متراکم، ماده به مقدار زیادی روی آنها جمع شده است. این ماده جمع شده گرم شده و اشعه ایکس آزاد میکند، که باعث آشفتگی در تابش زمینه کیهانی میشود.
و در آخر، اگر تعداد زیادی سیاهچاله بزرگ در خوشههای ستارهای و کهکشانهای کوتوله شناور باشند، برهمکنشهای گرانشی آنها تمام ستارهها را بیش از حد با هم مخلوط میکند و باعث میشود کوتولهها پفکردهتر از آنچه باید باشند، باشند.
همه اینها تصویر نسبتاً تاریکی از چشمانداز سیاهچالههای اولیه ترسیم میکند. به نظر میرسد مشاهدات در همه زمینهها، آنها را، حداقل به عنوان بخش قابل توجهی از ماده تاریک، نامطلوب میدانند (و اگر هدف شما توضیح ماده تاریک است، پس این اصلاً جالب نیست).
اما برخی مشاهدات جذاب وجود دارد که خلاف این را نشان میدهند. بزرگترین آنها اولین آشکارسازی امواج گرانشی ما است که در سپتامبر ۲۰۱۵ انجام شد و شامل دو سیاهچاله با جرمهای ۳۶ و ۲۹ برابر جرم خورشید بود. این اعداد عجیب هستند، زیرا این واقعیت که ما توانستیم این آشکارسازی را انجام دهیم نشان میدهد که این نوع ادغامها در موارد رایجتر اتفاق میافتند، اما ادغام سیاهچالههای تشکیل شده از ستارگان به اندازهای که به این نوع جرمها برسند، دشوار است. راه حل بالقوه: شاید اینها سیاهچالههای اولیهای باشند که ما افتخار مشاهده ادغام آنها را داشتهایم.
صحبت از ادغام شد، مشکل جانبی سیاهچالههای فوقالعاده غولپیکری که خیلی زود در تاریخ کیهان ظاهر میشوند نیز وجود دارد. این سیاهچالهها آنقدر بزرگ هستند که بار دیگر، تشکیل سریع آنها از طریق فرآیند معمول تشکیل ستاره و در نهایت ادغام در زمان کافی دشوار است. راه حل بالقوه: شاید اینها سیاهچالههای اولیهای باشند که از قبل بسیار بزرگ بودهاند و از آنجا به بعد حجیم شدهاند.
و اگر این به اندازه کافی عجیب نبود، یک اثر فرضی به نام بار حافظه وجود دارد. این امر به سیاهچالهها اجازه میدهد تا از کوچک شدن بیش از حد مشخصی جلوگیری کنند، به این معنی که حتی سیاهچالههای بسیار کوچک نیز ممکن است تا به امروز زنده بمانند. این موضوع سزاوار یک بخش جداگانه است، پس ادامه دهید و بپرسید.
باشه، پس داری میگی که یه شانسی هست.
بله، احتمال کمی وجود دارد که سیاهچالههای اولیه بتوانند بیشتر، اگر نگوییم همه، ماده تاریک را توضیح دهند. اگر همه سیاهچالههای اولیه با جرم یکسانی ساخته شده باشند، در حال حاضر یک بازه باریک بین ۱۰^۱۷ و ۱۰^۲۳ گرم (یعنی از سیارک تا قمر تا سیاره کوچک) وجود دارد که توسط همه مشاهدات مجاز است. اما این سیاهچالههای کوچک در توضیح ظهور سیاهچالههای فوقپرجرم در جهان اولیه و نتایج امواج گرانشی مشکل دارند. اما این موضوع، مسئلهای نیست که معامله را به هم بزند.
اگر سیاهچالههای اولیه بتوانند در اندازههای مختلفی باشند، گزینههای زیادی پیش روی ما قرار میگیرد. میتوان شکلگیری آنها را طوری تنظیم کرد که توزیع اندازههای آنها دقیقاً مناسب باشد تا از همه محدودیتهای موجود فرار کنند و در عین حال ماده تاریک را توضیح دهند. مسلماً این کمی ساختگی و پیچیدهتر از آن چیزی است که اکثر مردم دوست دارند، اما همانطور که گفتم، جهان هیچ الزامی برای ساده بودن ندارد.
بنابراین، ما در اینجا هستیم. اکثر کیهانشناسان، سیاهچالههای اولیه را به دلیل تمام مشاهداتی که علیه آنها وجود دارد، کاندیدای مناسبی برای ماده تاریک نمیدانند. اما آنها کاملاً رد نشدهاند و، بیخیال، واقعاً جالب است که به فیزیک عجیب و غریب در انفجار بزرگ اولیه فکر کنیم که انفجار بزرگ سیاهچالهها را از هوای رقیق ایجاد کرده است که سپس بر هر کهکشانی تسلط پیدا میکنند.
بنابراین به همین دلیل و تنها به همین دلیل، آنها در لیست «شاید» باقی میمانند.