در جستجوی سیاه‌چاله‌های پیرتر از کیهان
آیا ممکن است سیاه‌چاله‌های درون کیهان ما از خود کیهان پیرتر باشند؟
کشف سیاه‌چاله‌های نخستینِ قدیمی‌تر از بیگ‌بنگ ممکن است شواهدی برای وجود یک کیهان پیشین باشند و علم کیهان‌شناسی را بازنویسی کند. این یک ایده وحشتناک است، اما برخی فیزیکدانان فکر می‌کنند که ما شانس پیدا کردن آن‌ها را داریم.
حدود پنجاه سال پیش، زمانی که دانشجوی دکتری بودم، مقاله‌ای در این مجله منتشر کردم که درباره شواهد رو به افزایش وجود سیاهچالهها، یعنی مناطقی در فضا که گرانش در آن‌ها به حدی قوی است که نور قادر به فرار نیست، بحث می‌کرد. امروزه دیگر تقریبا هیچ شکی در مورد وجود آن‌ها وجود ندارد. می‌دانیم که آن‌ها از فروپاشی ستاره‌ها تشکیل می‌شوند و نسخه‌های کلان‌جرمی از آن‌ها در مرکز کهکشان‌ها قرار دارند. ما حتی از سایه‌ی دو تا از آن سیاه‌چاله‌های غول‌پیکر مرکز کهکشان‌ها تصویر نیز تهیه کرده‌ایم. اما در آن زمان در مقاله‌ام به یک احتمال (نسبتا تخیلی) نیز اشاره کردم: این‌که ممکن است سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر در اوایل کیهان، در زمان کوتاهی پس از انفجار بزرگ، شکل گرفته باشند.
در آن زمان، من در حال کار با این ایده تحت نظارت استیون هاوکینگ بودم که چند سال پیش از آن شروع به ایده‌پردازی درباره این احتمال کرده بود. کار مشترک ما، مسیر حرفه‌ای من را تعیین کرد که بیشترِ آن به مطالعه آن‌چه که اکنون «سیاه‌چاله‌های نخستین» (Primordial BlackHoles) می‌نامیم اختصاص دارد. ما هنوز نمی‌دانیم که آیا آن‌ها واقعا بوجود آمده‌اند یا نه، اما دلایل خوبی برای تصور وجود آن‌ها در اختیار داریم. برخی از آن‌ها ممکن است امروزه نیز وجود باقی مانده باشند و پیامدهای کیهان‌شناسی جالبی داشته باشند.
اما اخیراً من به یک احتمال بسیار خارق‌العاده‌تر علاقه‌مند شده‌ام: این‌که برخی سیاهچالهها ممکن است پیرتر از خود کیهان باشند. این یک ایده وحشتناک است، اما غیر قابل تصور نیست. و تحقیقات جدید نشان می‌دهد که ما ممکن است روزی قادر به شناسایی آن‌ها شویم، که اگر این‌طور شود یک پیشرفت بزرگ در ادراک ما از کیهان‌شناسی به همراه خواهد داشت.
اغلب کیهان‌شناسان ادعا می‌کنند که تمام ماده و انرژی که در کیهان ما وجود دارد در ۱۳.۸ میلیارد سال پیش، در یک لحظه یا به صورت همان انفجار بزرگ (بیگ‌بنگ)، به وجود آمده است. پس از آن، پیش از آن‌که از سرعت انبساط کاسته شود، یک دوره وجود داشت که کیهان با سرعت بسیار زیاد و به صورت نمایی رشد کرد، که به این دوره «تورم کیهانی» می‌گوییم.
بیگ‌بنگ
یکی از مشکلات این تصویر از کیهان این است که ما به طور قطع نمی‌دانیم در انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داده است. این رخداد اولیه اغلب به عنوان تکینگی – یعنی نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت – توصیف می‌شود و در این تکینگی نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین که به عنوان بهترین توصیف ما برای گرانش شناخته می‌شود خراب می‌شود. به عبارت دیگر، ما نمی‌توانیم تکینگی را با استفاده از معادلات معمولی که برای درک طبیعت استفاده می‌کنیم، توضیح دهیم.
این مساله سبب شده تا برخی کیهان‌شناسان به احتمال وجود یک «جهش بزرگ» (Big Bounce) معتقد شوند. به جای این‌که همه چیز در یک لحظه (بیگ‌بنگ) به وجود آید، ممکن است یک جهش بزرگ در نتیجه فروپاشی و رمبش کیهان قبلی رخ داده باشد که پس از آن مجدد کیهان شروع به گسترش کرده است. این یک نوع انفجار بزرگ است، اما بدون وجود تکینگی، چرا که کیهان همیشه چگالی محدودی دارد. سناریوی جهش بزرگ با تلاش‌هایی در جهت اتحاد قوانین فیزیک سازگار است، مانند برخی از مدل‌های کیهان‌شناسی کوانتومی، گرانش کوانتومی حلقه و برخی از نظریه‌های جایگزین گرانش.
اگر کیهان ما از یک جهش بزرگ نشأت گرفته باشد، ممکن است با یک جهش بزرگ نیز به پایان برسد. این نوع جهش‌های تکرار شونده، که کیهان در آن دوره‌هایی از گسترش و فشردگی را تجربه می‌کند، به عنوان یک «کیهان دوره‌ای» (Cyclic Universe) شناخته می‌شود. این توصیف تنها در صورتی کار می‌کند که مقدر شده باشد کیهان دوباره در خود فرو بپاشد و این، به نوبه خود، به ماهیت انرژی تاریک، نیروی مرموزی که باعث شده که کیهان با سرعت بیشتری از هم گسسته شود، بستگی دارد. با این حال، اگر ما شواهدی برای این مدل‌های جهش کننده و دوره‌ای پیدا کنیم، پیامدهای بزرگی هم برای چگونگی آغاز کیهان و هم برای نحوه‌ی پایان کیهان خواهد داشت.
یافتن شواهدی دال بر صحت این ایده دشوار است، بخشی به دلیل این‌که هر چیزی که در کیهان قبلی وجود داشته است، احتمالاً هنگامی که آن کیهان فروپاشیده است، نابود شده است. یا شاید هم نه؟ من فکر می‌کنم که احتمال وجود برخی از سیاه‌چاله‌های کیهان قبلی که در جهش بزرگ باقی مانده‌اند، وجود دارد.
این ادعا که سیاهچالهها ممکن است در اوایل کیهان شکل گرفته باشند، به سال‌های اوایل دهه ۱۹۷۰ برمی‌گردد. استیون هاوکینگ و من در حال بررسی این بودیم که آیا سیاهچالهها می‌توانند از افت‌وخیزهای چگالی در زمان‌های نزدیک به بیگ‌بنگ شکل بگیرند یا خیر؟ از محاسبات ما، به نظر می‌رسید که این امکان وجود دارد. اما یک مشکل وجود داشت، چند سال قبل، پژوهشگران روسی یاکوف زلدویچ و ایگور نوویکوف نشان داده بودند که هر سیاه‌چاله‌ای که در اوایل کیهان شکل بگیرد، به سرعت رشد کرده و در کیهان امروز به جرم عظیمی می‌رسد. مشاهدات نجومی این پیش‌بینی را رد کردند – ما اثرات چنین سیاه‌چاله‌هایی را مشاهده می‌کردیم و چنین جرم‌هایی نداشتند، بنابراین آن‌ها نتیجه گرفتند که سیاه‌چاله‌های نخستین هرگز شکل نگرفته‌اند.
مقاله اول من با استیون هاوکینگ نشان داد که این نتیجه اشتباه است. پس از چندین روز محاسبه، با هیجان به دفتر استیون دویدم تا خبر خوب بدهم: به دلیل گسترش کیهان، که آن دو محقق روس، در نظر نگرفته بودند، سیاه‌چاله‌های ابتدایی زیاد رشد نخواهند کرد. من نسبتاً ناامید شدم که متوجه شدم استیون به طور مستقل و با محاسبه آن در ذهن خود، به همین نتیجه رسیده بود. با این‌حال، ما به این توافق رسیدیم که: در هر صورت، سیاه‌چاله‌های نخستین ممکن است وجود داشته باشند.
سیاه‌چاله‌های نخستین
نیم‌قرن بعد، تاکنون هیچ‌کدام از این نوع سیاهچالهها را به طور قطعی کشف نکرده‌ایم، اگرچه برخی افراد فکر می‌کنند در نوسانات فضا-زمانی که به ان امواج گرانشی می‌گوییم، نشانه‌هایی از وجود سیاه‌چاله‌های نخستین وجود دارد. آن‌چه که با اطمینان می‌توانیم بگوییم، این است که فکر کردن درباره آن‌ها، استیون هاوکینگ را به کشف تابشی که سیاهچالهها تولید می‌کنند، که به آن تابش هاوکینگ گفته می‌شود، و همچنین طرح پارادوکس اطلاعاتِ سیاهچالهها سوق داد.
البته، اگر سیاه‌چاله‌های نخستین شکل گرفته باشند، بسیار جالب‌تر خواهد بود و در سال‌های اخیر نیز، علاقه به این ایده افزایش یافته است. ما می‌دانیم که هر سیاه‌چاله‌ای با وزن کمتر از ۱ تریلیون کیلوگرم، تقریباً به اندازه جرم یک کوه، ولی در ابعاد یک پروتون، به دلیل تابش هاوکینگ، تا به حال تبخیر شده است. اما هر سیاه‌چاله‌ی بزرگتر از آن می‌توانند تا به امروز همچنان وجود داشته باشد.
اما احتمال جالب‌تری هم وجود دارد. حدود ۱۰ سال پیش، آلن کولی از دانشگاه دالهوسی در هلیفاکس، در کانادا، و من به این موضوع علاقه‌مند شدیم که آیا ما در یک کیهان دوره‌ای زندگی می‌کنیم یا خیر. ما شروع به بررسی کردیم که آیا سیاهچالهها می‌توانند در یک دوره کیهانی قبلی شکل گرفته باشند و متوجه شدیم که دو احتمال وجود دارد.
نخستین احتمال این است که سیاهچالهها به دلیل چگالی بالای کیهانِ قبلی در لحظات پایانی فروپاشی آن، شکل گرفته باشند. این “خردشدگی بزرگ” همانند فاز چگالی بالا در بیگ‌بنگ است، با این تفاوت که به صورت رو به عقب در زمان پیش می‌رود. بنابراین، اگر سیاهچالهها می‌توانند در بیگ‌بنگ شکل گیرند، احتمالاً می‌توانند در خردشدگی بزرگ نیز تشکیل شوند. در این صورت، سیاهچالهها یک جرم کمینه خواهند داشت که توسط چگالی کیهان در لحظه جهش بزرگ، یعنی زمانی که کیهان در چگال‌ترین حالت خود به سر می‌برد، تعیین می‌شود. اگر این چگالی به اندازه‌ی کافی کوچک باشد، سیاهچالهها می‌توانند آن‌قدر بزرگ باشند تا ماده تاریک را نیز توضیح دهند، یعنی همان ماده مرموزی که مانند چسب کیهانی از پراکندگی و متلاشی شدن کهکشان‌ها جلوگیری می‌کند، یا این‌که این سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانند منشأ سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم در مرکز کهکشان‌ها باشند.
آب‌نبات سیاه‌چاله
شاید مهم‌ترین پیامد ایده سیاه‌چاله‌های این بود که استیون هاوکینگ را به در نظر گرفتن اثرات کوانتومی سیاهچالهها ترغیب کرد. به خصوص، او کشف کرد که سیاهچالهها تابش می‌کنند.
تنها سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانند به اندازه کافی کوچک باشند تا تابش هاوکینگ آن‌ها در طول عمر جهان شناسایی شوند. همچنین این موضوع همچنین هاوکینگ را به پارادوکس اطلاعات در سیاهچالهها رساند: نظریه کوانتومی می‌گوید که اطلاعات نمی‌تواند از بین برود، اما هاوکینگ بر این باور بود که اطلاعات در هنگام تبخیر یک سیاه‌چاله از بین می‌روند. او بعداً نظر خود را در این مورد تغییر داد و ما هنوز در جستجوی جوابی برای حل این پارادوکس هستیم.
تابش هاوکینگ یکی از مهم‌ترین کشف‌های فیزیک قرن بیستم است. این کشف سه حوزه فیزیک کوانتومی، نسبیت عام و ترمودینامیک را با هم ادغام می‌کند. این نتیجه به گونه‌ای زیبا است که فیزیکدان جان ویلر – که عبارت سیاه‌چاله را ابداع کرد – یک بار به من گفت که صحبت کردن در مورد آن شبیه “چرخاندن آب‌نبات روی زبان” است.
من خوش‌شانس بودم که در زمان کار هاوکینگ بر روی این پیشرفت‌ها، در نزدیکی او بودم. حتی اگر سیاه‌چاله‌های نخستین شکل نگرفته باشند، ایده تابش هاوکینگ نشان می‌دهد که این موضوع آن‌قدر مهم بود که او درباره آن‌ها فکر کند.
شاید مهم‌ترین پیامد ایده سیاه‌چاله‌های این بود که استیون هاوکینگ را به در نظر گرفتن اثرات کوانتومی سیاهچالهها ترغیب کرد. به خصوص، او کشف کرد که سیاهچالهها تابش می‌کنند.
تنها سیاه‌چاله‌های نخستین می‌توانند به اندازه کافی کوچک باشند تا تابش هاوکینگ آن‌ها در طول عمر جهان شناسایی شوند. همچنین این موضوع همچنین هاوکینگ را به پارادوکس اطلاعات در سیاهچالهها رساند: نظریه کوانتومی می‌گوید که اطلاعات نمی‌تواند از بین برود، اما هاوکینگ بر این باور بود که اطلاعات در هنگام تبخیر یک سیاه‌چاله از بین می‌روند. او بعداً نظر خود را در این مورد تغییر داد و ما هنوز در جستجوی جوابی برای حل این پارادوکس هستیم.
تابش هاوکینگ یکی از مهم‌ترین کشف‌های فیزیک قرن بیستم است. این کشف سه حوزه فیزیک کوانتومی، نسبیت عام و ترمودینامیک را با هم ادغام می‌کند. این نتیجه به گونه‌ای زیبا است که فیزیکدان جان ویلر – که عبارت سیاه‌چاله را ابداع کرد – یک بار به من گفت که صحبت کردن در مورد آن شبیه “چرخاندن آب‌نبات روی زبان” است.
من خوش‌شانس بودم که با همکاری استیون هاوکینگ، در زمان کار بر روی این پیشرفت‌ها، در نزدیکی او بودم. حتی اگر سیاه‌چاله‌های نخستین شکل نگرفته باشند، کشف تابش هاوکینگ نشان می‌دهد که این موضوع آن‌قدر مهم بود که او درباره آن‌ها فکر کرد.
منشاء سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم
در کارهای بعدی، این موضوع با جزئیات بیشتری بررسی شد. در سال ۲۰۱۶، جروم کوئینتین و روبرت برندنبرگر، هر دو از دانشگاه مک‌گیل در مونترال، در کانادا، نوسانات کوانتومی و گرمایی یک جهان در حال فروپاشی را محاسبه کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که البته سیاهچالهها می‌توانند شکل گیرند، ولی فقط در صورتی که جهان ماده-غالب باشد و نه تابش-غالب.
احتمال دوم این است که سیاهچالهها در یک فاز قبلی از جهان قبلی شکل گرفته باشند – همانند سیاه‌چاله‌هایی که از فروپاشی ستارگان یا هسته‌های کهکشانی در جهان ما شکل می‌گیرند. در هر صورت، سوال بعدی ما این بود که آیا سیاه‌چاله‌های پیش از بیگ‌بنگ پس از جهش بزرگ زنده خواهند ماند و در چرخه فعلی کیهان به زندگی ادامه خواهند داد یا خیر. این به نسبت حجمی از کیهان که توسط سیاهچالهها در لحظه جهش بزرگ اشغال شده است، وابسته است. ما به این نتیجه رسیدیم که اگر فاصله سیاهچالهها در لحظه جهش بیشتر از اندازه‌ی معمول آن‌ها باشد، می‌توان انتظار داشت که سیاهچالهها پس از جهش نیز ادامه یابند، زیرا به هم فشرده و ادغام نخواهند شد. ما به این نتیجه رسیدیم که در بسیاری از حالت‌ها، این امر ممکن است.
در سال ۲۰۱۵، تیموتی کلیفتون، همکار من در دانشگاه Queen Mary لندن، همراه با کولی و خودم، سعی کردیم تا با ریاضیات دقیق‌تری به این سوال پاسخ دهیم. ما برخی از جواب‌های دقیق برای معادلات نسبیت عام اینشتین، که شبکه منظمی از سیاهچالهها در جهانی که تحت یک جهش بزرگ قرار گرفته است را توصیف می‌کنند، استخراج کردیم. نتایج ما نشان می‌دهد که در واقع جواب‌هایی وجود دارد که در آن‌ها چندین سیاه‌چاله از طریق جهش بزرگ همچنان باقی بمانند.
نیازی به تورم کیهانی نیست
در ادامه، ما به بررسی برخی از پیامدهای کیهان‌شناختی این ایده پرداختیم، با این استدلال که سیاه‌چاله‌های پیش از بیگ‌بنگ در محدوده‌های جرمی مختلف می‌توانند توضیح دهنده‌ی ماده‌ی تاریک باشند، بذرهای اولیه برای تشکیل کهکشان‌ها فراهم کنند و شاید حتی خود عامل جهش بزرگ باشند. در سناریوی بیگ‌بنگ استاندارد، سیاه‌چاله‌های نخستین تولید شده پیش از تورم، به صورت نمایی کاهش می‌یابند، بنابراین فرض می‌شود که هر سیاه‌چاله‌ای که امروز وجود دارد، معمولاً پس از تورم به وجود آمده ، اما در برخی از مدل‌های جهش بزرگ، تورم کیهانی وجود ندارد.
پژوهشگران دیگر در ادامه بر روی این ایدهها کار کردند. در سال ۲۰۱۸، کارلو روولی در دانشگاه Aix-Marseille در فرانسه و فرانچسکا ویدوتو در دانشگاه Western در انتاریو، کانادا، احتمال این‌که ماده‌ی تاریک از پسماندهای سیاه‌چاله‌های پیش از بیگ بنگ تشکیل شده باشد، را بررسی کردند. آن‌ها ادعا کردند که تنها یک قسمت بسیار کوچک از حجم جهان در لحظه جهش بزرگ، خارج از این سیاهچالهها خواهد بود، اگرچه ناظران موجود در این مناطق در زمان‌های بعدی، یک جهان یکنواخت و همگن را خواهند دید.
یک امکان بسیار عجیب‌تر این است که جهش بزرگ، کیهان را به گونه‌ای فشرده کند که تمامی سیاهچالهها با یکدیگر ادغام شوند. حتی سیاه‌چاله‌های کلان‌جرمی که امروز وجود دارند می‌توانند در صورتی که جهان ما در نهایت دوباره فروریزد، به این وضعیت منجر شوند. این ادغام‌های پیش‌رونده، سیاه‌چاله‌هایی با سلسله‌مراتبی از جرم در حال افزایش ایجاد خواهند کرد تا در نهایت کل جهان به یک سیاه‌چاله تبدیل شود.
هیچ‌کس نمی‌داند در این وضعیت چه اتفاقی می‌افتد، اما کار دو گروه پژوهشی اخیراً نوری این مسأله تابانیده است. دانیلا پرز و گوستاوو رومرو از موسسه نجوم رادیویی آرژانتین و به طور مستقل، یک تیم به رهبری ماکسنس کورمن در موسسه پریمتر کانادا، رفتار یک سیاه‌چاله در طول یک جهش بزرگ را محاسبه کردند. اگرچه جزئیات محاسبات آن‌ها متفاوت است، اما هر دو گروه موافق هستند که سیاه‌چاله می‌تواند از طریق جهش زنده بماند و اندازه آن ببرای یک دوره‌ای کاهش پیدا کند. این کاهش اندازه نیز احتمال این را بالا می‌برد که سیاهچالهها هرگز به‌طور کامل ادغام نشوند.
همه‌این‌ها خوب و عالی است، اما چطور می‌توان شواهد تجربی برای این ایدهها پیدا کرد؟ یک پژوهش اخیرِ دیگر، به طرز جالبی امیدواری می‌دهد که ممکن است یک روز بتوانیم سیاه‌چاله‌های پیش از بیگ بنگ را شناسایی کنیم، به این معنی که می‌توانیم آن‌ها را از سیاه‌چاله‌هایی که در جهان ما شکل گرفته‌اند، تمیز دهیم. این مطالعه توسط یی فو کای در دانشگاه علوم و فناوری چین انجام شد، کسی که به ایده این‌که سیاه‌چاله‌های نخستین ممکن است منشاء کلان‌جرم در مراکز کهکشان‌ها باشند، علاقه‌مند است.
سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم
سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم دارای جرمی بین ۱ میلیون تا ۱۰ میلیارد برابر جرم خورشید هستند. با نگاه به فواصل دوردست در کیهان، می‌دانیم که آن‌ها در زمانی بسیار اولیه وجود داشته‌اند – احتمالا برای این‌که توسط فرآیندهای اخترفیزیکی بوجود آمده باشند خیلی زود بوده است. روشن نیست که آن‌ها چگونه می‌توانند به این اندازه بزرگ باشند و به سرعت رشد کنند. یکی از احتمالات، هرچند نظریه‌ای معمول نیست، این است که آن‌ها از سیاه‌چاله‌های پیش از بیگ‌بنگ آغاز شده‌اند. در این‌صورت، آیا راهی وجود دارد تا بفهمیم این سیاهچالهها در بیگ‌بنگ بوجود آمده‌اند یا از جهش بزرگ آمده‌اند؟
کای و همکارانش الگوی تغییرات چگالی در سناریوهای تورمی و جهش را با هم مقایسه کردند. آن‌ها پیش‌بینی می‌کنند که در سناریوی جهش بزرگ، تعداد سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم با افزایش جرمِ آن‌ها با شیب بیشتری افت می‌کند. در حال حاضر، ما داده‌های کافی برای تفکیک بین دو سناریو نداریم. اما مشاهدات آینده‌ی تلسکوپ فضایی جیمز وب می‌تواند این کار را انجام دهد.
وجود سیاه‌چاله‌های نخستین که در کیهان اولیه پس از بیگ‌بنگ شکل گرفته باشند، خود، ایده‌ای پر از حدس و گمان است، بنابراین ایده وجود سیاه‌چاله‌هایی از جهان قبلی ممکن است دو برابر حدس و گمانی به نظر برسد. با این‌حال، مهم است که این احتمال را بررسی کنیم، جدای از این‌که ممکن است هیجان‌انگیز باشد. همان‌طور که فکر کردن در مورد سیاه‌چاله‌های نخستین پس از بیگ‌بنگ، منجر به بینش‌هایی در درک ما از گرانش کوانتومی شده است، فکر کردن به سیاه‌چاله‌های پیش از بیگ‌بنگ ممکن است به درک بیشتری از فیزیک کیهان شود، حتی اگر به این نتیجه برسیم که جهان به صورت چرخه‌ای نیست.
من به تازگی بازنشسته شده‌ام، و این را دریافته‌ام که آغاز زندگی حرفه‌ای من، با مطالعه تشکیل سیاه‌چاله در آغاز کیهان همراه بود، و پایان آن با مطالعه‌ی تشکیل آن‌ها در پایان این دوره از جهان به پایان می‌رسد. مقاله من در ۵۰ سال قبل با این نتیجه پایان یافت که “سیاهچالهها در نظریه به همان اندازه که در مشاهده غیرقابل تعقیبند، گریزان هستند”، اما من اکنون به یافتن سیاه‌چاله‌های نخستین خوشبین هستم، چه آن‌ها در این جهان شکل گرفته باشند یا در جهان پیش از بیگ‌بنگ.
