در کمتر از یک ثانیه پس از بیگ‌بانگ، تعاملات ذرات می‌توانستند سیاه‌چاله‌ها، ستارگان بوزونی و ستارگان آدم‌خوار را ایجاد کنند
توسط مدرسه بین‌المللی مطالعات پیشرفته (SISSA)
قبل از ترکیب عناصر اتمی، یعنی کمتر از یک ثانیه پس از بیگ‌بانگ، اگر ذرات به هاله‌های ماده تبدیل می‌شدند، این هاله‌ها می‌توانستند پس از فروپاشی، نخستین سیاه‌چاله‌ها، ستارگان بوزونی و به اصطلاح ستارگان آدم‌خوار را به وجود آورند. این همان نتیجه‌گیری مطالعهٔ جدیدی است که به تازگی در Physical Review D منتشر شده است و توسط تیمی از پژوهشگران SISSA — مدرسهٔ بین‌المللی مطالعات پیشرفته، به‌همراه INFN، IFPU و دانشگاه ورشو انجام شده است.
بر پایه فرضیه‌ای که برخی مدل‌های کیهانی مطرح می‌کنند و می‌گویند در دورهٔ اولیهٔ جهان یک دورهٔ کوتاه مسلط به ماده (Early Matter-Dominated Era یا EMDE) وجود داشته است، نویسندگان بررسی کردند که ذرات چگونه می‌توانند با یکدیگر تعامل داشته باشند و کشف کردند که این تعاملات می‌توانند تنوع شگفت‌انگیزی از اجسام کیهانی را به وجود آورند. بنابراین این مطالعه نشان می‌دهد که حتی در اولین لحظات پس از بیگ‌بانگ، جهان می‌توانست صحنه‌ای برای پدیده‌های فیزیکی غنی و پیچیده باشد.
دقیقاً پس از تورم: چه اتفاقی رخ داد
پیشرفت‌های اخیر در کیهان‌شناسی امکان بازسازی دقیق تاریخچهٔ جهان را از گسترش سریع اولیهٔ معروف به تورم تا نوکلئوسنتز اولیه، یعنی شکل‌گیری نخستین هسته‌های اتمی سنگین‌تر از هیدروژن که بین ۱۰ ثانیه تا ۲۰ دقیقه پس از بیگ‌بانگ رخ داد، فراهم کرده‌اند. اما دورهٔ میانی هنوز به‌طور قابل‌توجهی ناشناخته باقی مانده است.
همان‌طور که نویسندگان توضیح می‌دهند: «یک امکان جذاب این است که در این بازه، ماده موقتاً بر جهان تسلط پیدا کرده باشد». در این سناریو، هاله‌های ماده بطور طبیعی می‌توانند شکل بگیرند. افزون بر این، اگر ذرات بتوانند با یکدیگر تعامل داشته باشند، این تعاملات می‌توانند به فروپاشی گراو‌ترمال منجر شوند که در نتیجهٔ آن اجسام متراکم مانند سیاه‌چاله‌ها و ساختارهای کیهانی عجیب دیگر به‌وجود می‌آیند.
ساختارهای عجیب در سپیده‌دمهٔ جهان
در میان این اجسام متراکم، پژوهشگران بر این باورند که ستارگان آدم‌خوار می‌توانستند شکل بگیرند. ستارگان آدم‌خوار شبیه به ستارگان معمولی هستند، با این تفاوت که به‌جای انرژی حاصل از همجوشی هسته‌ای، خود‌انهدام ذرات آن‌ها را قدرت می‌بخشد.
به‌علاوه، نویسندگان اشاره می‌کنند که ستارگان بوزونی نیز ممکن است شکل گرفته باشند؛ در این نوع ستارگان، طبیعت کوانتومی ذرات به‌عنوان نیروی نگهدارندهٔ آن‌ها عمل می‌کند. این ستارگان می‌توانستند تنها برای چند ثانیه کوتاه جهان نوپای را پر کنند پیش از این که به سیاه‌چاله‌های اولیه (PBH) فروپاشند. به‌طور جایگزین، سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانستند مستقیماً از فروپاشی هاله‌های ماده به‌وجود آیند.
فرضیات جدید دربارهٔ سیاه‌چاله‌های اولیه
بر مبنای این مطالعه، هاله‌های شکل‌گرفته در دورهٔ EMDE دارای جرم نسبتاً کوچکی (کمتر از ۱۰²۸ گرم) بودند و پس از فروپاشی گراو‌ترمال می‌توانستند سیاه‌چاله‌های اولیه‌ای حتی کوچکتر تولید کنند. با استفاده از یک مدل نظری ساده‌سازی‌شده، پژوهشگران نشان دادند که در برخی موارد، سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانند به‌طور بیش از حد تولید شوند که به محدودیت‌های مشاهداتی برخورد می‌دارد؛ در حالی‌که در موارد دیگر، سیاه‌چاله‌های با جرم شبیه به سیارک می‌توانند شکل بگیرند و احتمالاً تمام مادهٔ تاریک جهان را تأمین کنند.
سرانجام، ممکن است برخی از سیاه‌چاله‌های اولیه به‌سرعت تبخیر شوند و پیش از نوکلئوسنتز اولیه، یعنی پیش از شکل‌گیری اتم‌های سبک همچون هیدروژن و هلیوم، ناپدید شوند.
چشم‌اندازهای جدید دربارهٔ جهان
این نتایج همچنین افق‌های وسیع‌تری را گشوده‌اند. همان‌طور که نویسندگان در پایان می‌گویند: «جالب خواهد بود که شکل‌گیری ستارگان آدم‌خوار و ستارگان بوزونی را در جهان امروز، از طریق فروپاشی هاله‌های ماده تاریک خودتعامل‌پذیر، بررسی کنیم. علاوه بر این، هرچند که بیشتر فرضیاتی است، مطالعهٔ شکل‌گیری ستارگان و انباشت ماده در مدل‌های سادهٔ ذرات می‌تواند بینش‌های جدیدی دربارهٔ فرآیندهای پیچیدهٔ نجومی که جهان ما را شکل می‌دهند، فراهم آورد.»