المادة المظلمة قد تشعّ بفعل الثقوب السوداء

تُشكّل المادة المظلمة معظم المادة الموجودة في الكون. كميتها أكبر بخمس مرات من كمية المادة العادية، لكنها لا تُصدر أو تعكس أو تمتص أي ضوء، فهي ليست مظلمة فعلياً لكنها شفافة لأبعد الحدود.

لكن لو كانت جسيمات هذه المادة قادرة على إصدار أشعة "غاما" عند اقترابها من الثقب الأسود فإن ذلك سيوفّر فرصة كبيرة للعلماء لالتقاط هذه الأشعة ودراسة هذه المادة الغامضة، وهذا ما افترضه البحث الجديد الذي نشر مؤخراً في Physical Review Letters.

إن العملية المسؤولة عن إصدار أشعة غاما كما جاءت بالبحث لم تكن متوقعة. لأنها تتحدى فرضيتين شائعتين حول الثقوب السوداء ستتم مناقشتهما تباعاً ضمن هذا المقال.

1- هروب الجسيمات من الثقب الأسود:

بدأ العالم "جيرمي شنيتمان" المتخصص في مجال الفيزياء الفلكية النظرية في ناسا بالعمل على مشروع لدراسة البيانات القادمة من تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة غاما. يحاول "شنيتمان" البحث في هذه البيانات عن إشارات لأشعة عالية الطاقة قادمة من حافة ثقب أسود، تلك الأشعة قد تكون ناتجة عن انجراف المادة المظلمة نحو ذلك الثقب.

بدأت رحلة "شنيتمان" للبحث عن إشارة المادة المظلمة ببرنامج حاسوبي كان يعمل على تطويره منذ عشر سنوات. يقوم هذا البرنامج بمحاكاة ثلاثية الأبعاد لمسارات الجسيمات أثناء اقترابها من الثقب الأسود. حيث يدور بعضها حول الثقب الأسود ويسقط الآخر في الثقب.

قبل عام من الآن قرر العالم "شنيتمان" ضبط برنامجه ليُدخل ضمنه نوع آخر من الجسيمات وهي جسيمات المادة المظلمة. أظهرت نتيجة الفيديو كيف أن جسيمات دون ذرية تقع في قبضة جاذبية الثقب الأسود وتبدأ بالدوران حوله بنفس سرعة دورانه في منطقة اسمها "ارجوسفير" ergosphere. (وهي المنطقة التي تدور فيها الجسيمات حول الثقب الأسود بنفس جهة دورانه.)

بعض أزواج هذه الجسيمات تصطدم مع بعضها، فتُحطم بعضها البعض مما يؤدي إلى فنائها وينتج عن العملية إصدار زوج من أشعة غاما. يُطلق على هذه العملية اسم (فَناء الجسيمات annihilation).

من الطبيعي أن هذين الزوجين من أشعة غاما (فوتونين) يجب أن يسقُطان داخل الثقب الأسود نتيجة جاذبيته الكبيرة التي لا يستطيع حتى الضوء الهروب منها. لكن هناك ظاهرة تدعى مبدأ بينروز Penrose قد تَحول دون ذلك.

اقترح العالم "روجر بينروز" عام 1969 أنه عندما يتشكل فوتونين قرب الثقب الأسود من المحتمل أن يتمكن أحدهما من الهروب من الثقب، في حين أن الآخر سوف يسقط داخله. هذا الكلام يتعارض مع الفكرة الشائعة، أنه لا شيء يمكنه أن يهرب من الثقب الأسود، على الأقل أي شيء تجاوز أفق الحدث. (الحد الفاصل المحيط بالثقب الأسود حيث لا شيء يخرج منه حتى الضوء.)

حسب مبدأ بينروز فإن الجسيمات تتشكل خارج منطقة أفق الحدث، ومع ذلك فانه وفق الظروف الاعتيادية من غير المحتمل أن تتمكن أياً من تلك الجسيمات من الهروب بعيدا عن الثقب، لكن مبدأ بينروز قام بتغيير مصير أحد تلك الجسيمات على الأقل وأعطاها مخرج للهروب.

عام 2009 أظهرت مجموعة من الباحثين أن مبدأ بينروز يمكن أن يطبّق على المادة المظلمة أيضا. حيث أن أزواج الجسيمات المظلمة سوف تُفني بعضها بعضاً منتجةً أزواجاً من أشعة غاما. فلو أن عملية الإفناء تمت خارج أفق الحدث فهذا سوف يعني إمكانية التقاط أشعة غاما الهاربة بواسطة التلسكوبات.

أظهر النموذج الحاسوبي ثلاثي الأبعاد الذي يستعمله "شنيتمان" في بحثه، العديد من المسارات التي تستطيع الجسيمات أن تسلكها، كما بيّن أياً منها الأكثر احتمالاً على إنتاج أشعة غاما قادرة على الهروب من قبضة الثقب الأسود والتي تكون كذلك ذات طاقة اكبر من ما تم توقعه سابقاً.

مع تلك النتائج بدأ العالم "شنيتمان" وزملاؤه بالبحث عن هذه الإشارة. على الرغم من أنهم يتوقعون بأنها ستكون خافتة جدًا مقارنةً بالمصادر الأخرى من أشعة غاما. لذلك وضعوا قائمة بالمجرات التي سوف تستهدفها دراستهم، بحيث تكون تلك المجرات ذات إصدار خافت لأشعة غاما وتملك بنفس الوقت ثقوب سوداء ضخمة جدًا.

يقول شنيتمان: " كلما كانت كتلة الثقب الأسود أكبر كلما حصلنا على إشارة أقوى. إذا زادت كتلة ثقب أسود عن غيره بعشر أضعاف فإننا سوف نحصل على إشارة أقوى بألف مرة تقريباً.

2- اكتساب الجسيمات الهاربة لطاقةٍ إضافية: الجسيمات التي تهرب من الثقب الأسود عن طريق مبدأ بينروز لا تخسر أي مقدار من طاقتها -كما قد تعتقد- بل إنها تغادر ذلك الثقب بعد أن تكتسب طاقة إضافية تفوق طاقتها عند لحظة تشكّلها وتفوق بالواقع حتى طاقة زوج الجسيمات التي كانت تنتمي إليه قبل أن تغادر، إن ذلك يبدو أشبه بحصولها على وجبة طعام مجانية!

لكن من أين تحصل تلك الجسيمات الهاربة على طاقتها الإضافية؟ أظهر العلماء أن الجسيمة الهاربة لا تكتفي بأن تأخذ طاقة من شريكتها السابقة التي كانت قد وقعت في الثقب، بل إنها أيضاً تأخذ طاقة من عملية دوران الثقب الأسود نفسه، فكل جسيمة تهرب من الثقب الأسود تقوم بإبطاء دوران الثقب بمقدار صغير جداً.

يأمل "شنيتمان" بالعثور على هذه الإشارة في البيانات القادمة من تلسكوب فيرمي، رغم إدراكه لصعوبة مهمته. الصعوبة لا تكمن فقط في العثور على إشارة صغيرة ضمن تشويش كبير من أشعة غاما الكونية، بل هو أيضا غير متأكد من أن جسيمات المادة المظلمة عند إفناء بعضها سوف تطلق فعلاً أشعة غاما.

في الواقع، لا يعرف العلماء مما تتكون المادة المظلمة، ولا يعلمون إذا ما كانت جسيمات المادة المظلمة سوف تتصرف بنفس الطريقة التي توقعها نموذج "شنيتمان”. لكن في حال التقط "شنيتمان" لهذه الإشارة فإنها سوف تكون خطوة عملاقة نحو فك أسرار المادة المظلمة.

* شرح الصورة:

صورة من النموذج الحاسوبي ثلاثيّ الأبعاد، تُظهر محاكاة لما قد تبدو عليه إشارات أشعة غاما الناتجة عن دوران جسيمات المادة المظلمة حول الثقب الأسود. تبدو الإشارة من جهة واحدة فقط لأن جسيمات المادة المظلمة تدور حول الثقب الأسود.

المصادر:

هنا

هنا