LHAASO جستجوی تمام‌آسمانی برای سیاه‌چاله‌های اولیه منفجرشونده انجام می‌دهد
سیاه‌چاله‌های اولیه (PBH) سیاه‌چاله‌هایی هستند که تصور می‌شود بلافاصله پس از بیگ بنگ شکل گرفته‌اند. در مقایسه با سیاه‌چاله‌های به‌دست آمده از فروپاشی ستارگان، سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانند جرمی بسیار متفاوت داشته باشند؛ از جرمی بسیار کوچک تا جرمی بسیار بزرگ.
از زمان اولین نظریه در دههٔ ۱۹۷۰، سیاه‌چاله‌های اولیه مرکز توجه مطالعات فراوان نجومی بوده‌اند. شناسایی این سیاه‌چاله‌ها و علائم مرتبط با آن‌ها می‌تواند بینش کلیدی دربارهٔ منشاء و تکامل جهان فراهم آورد.
همکاری LHAASO، تیم پژوهشی بزرگی که داده‌های جمع‌آوری‌شده در رصدخانهٔ بزرگ بارش هوایی در ارتفاع بالا در چین را تجزیه و تحلیل می‌کند، به‌تازگی جستجوی تمام‌آسمانی برای علائم سیاه‌چاله‌های اولیه منفجرشونده انجام داد.
مقالهٔ آن‌ها، که در Physical Review Letters منتشر شد، سخت‌ترین محدودیت‌ها تا به امروز را دربارهٔ تعداد سیاه‌چاله‌های اولیه‌ای که در جهان اولیه شکل گرفته‌اند، تعیین کرد.
“سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانند راه‌حل‌های بالقوه‌ای برای مسایل مختلف کیهان‌شناسی ارائه دهند؛ به‌عنوان مثال، می‌توانند کاندیدای مناسبی برای مادهٔ تاریک باشند و به‌عنوان بذرهایی برای سیاه‌چاله‌های ابرجرم عمل کنند”، هوبینگ جیانگ، یکی از هم‌نویسندگان مقاله، به Phys.org گفت.
“به‌تازگی، این سیاه‌چاله‌ها توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند، چرا که می‌توانند مسئول برخی از سیگنال‌های موج گرانشی حاصل از باینری سیاه‌چاله‌ها که توسط LIGO و Virgo کشف شده‌اند، باشند. به‌عنوان یک ابزار مهم برای بررسی جهان اولیه، شواهد مشاهده‌ای از سیاه‌چاله‌های اولیه می‌تواند اطلاعات مهمی دربارهٔ جهان اولیه فراهم آورد.”
چگونه LHAASO به‌دنبال انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه جستجو کرد
LHAASO یک رصدخانه است که بر روی کوه‌هایزی در استان سیچوان چین واقع شده و پرتوهای گاما را هنگام تعاملشان با جو زمین شناسایی می‌کند و زنجیره‌های ذره‌ای به نام بارش‌های هوایی (air showers) ایجاد می‌نماید. این رصدخانه دارای میدان دید وسیعی است و می‌تواند پرتوهای گاما را با حساسیتی بی‌سابقه شناسایی کند.
“این ویژگی‌ها، به‌همراه دورهٔ کاری بالا (high duty cycle) LHAASO، این رصدخانه را به‌صورت منحصربه‌فرد قادر می‌سازد که جستجوی تمام‌آسمانی برای سیگنال‌های احتمالی از انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه را انجام دهد”، توضیح داد جیانگ.
“سیاه‌چاله‌های اولیه با جرمی اولیه حدود یک گرم، دوره‌عمرشان نزدیک به سن جهان است و در دورهٔ کنونی در حال تب‌خَر (که به‌عنوان «تابش هاوکینگ» شناخته می‌شود) می‌باشند”، افزود جیانگ.
به‌عنوان بخشی از مطالعهٔ اخیرشان، همکاری LHAASO یک نظرسنجی جستجوی تمام‌آسمانی انجام داد و به‌دنبال انفجارهای پرتو گامایی که از مرحلهٔ نهایی تبخیر سیاه‌چاله‌های اولیه ناشی می‌شوند، گشت. داده‌هایی که آن‌ها تحلیل کردند، توسط آشکارساز چرنوکوف آب در LHAASO از مارس ۲۰۲۱ تا ژوئیه ۲۰۲۴ جمع‌آوری شده بود.
“سیگنالی که ما به‌دنبال آن بودیم، مجموعه‌ای شبیه‑انفجار از پرتوهای گامای با انرژی بالا است که به‌صورت ناگهانی در آسمان ظاهر می‌شود و برای مدت زمان کوتاهی (کمتر از چند صد ثانیه) ادامه می‌یابد و منحنی‌های آن مطابق با پیش‌بینی‌های نظری است. از آنجا که موقعیت دقیق انفجار نامشخص است، آشکارساز باید میدان دید بسیار وسیعی داشته باشد تا بتواند به‌دنبال آن بگردد”، گفت جیانگ.
محدودیت‌های جدید و سخت‌گیرانه که می‌توانند به جستجوهای آینده راهنمایی کنند
اگرچه پژوهشگران هیچ انفجار پرتو گامایی که بتوان آن را به سیاه‌چاله‌های اولیه ربط داد در داده‌های تحلیل‌شده شناسایی نکردند، محدودیت‌های سخت‌تری بر چگالی انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه در اطراف زمین وضع کردند. تحلیل‌های آن‌ها نشان می‌دهد که انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه بیش از ۱۸۱ بار در هر پارسک مکعب (یعنی ۱ پارسک ≈ ۳.۲۶ سال نوری) در هر سال خورشیدی رخ نمی‌دهند.
“در این کار، LHAASO سخت‌ترین محدودیت‌های بالایی را بر چگالی نرخ انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه در مقیاس محلی ارائه می‌دهد و محدودیت قبلی را بیش از یک مرتبهٔ ده‌گانی بهبود می‌بخشد”، گفت جیانگ. “این نتایج محدودیت‌های قابل توجهی بر مدل‌های نظری مرتبط با جهان اولیه و مادهٔ تاریک اعمال می‌کند و فضای پارامترهای مدل‌های نظری به‌شدت توسط این مشاهدات محدود می‌شود.”
نتایج جدید گزارش‌شده توسط همکاری LHAASO نشان می‌دهد که احتمالاً سیاه‌چاله‌های اولیه نمی‌توانند بخش عمده‌ای از مادهٔ تاریک را تشکیل دهند. محدودیت‌های وضع‌شده در این مطالعه می‌توانند راهنمایی برای جستجوهای آینده از انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه باشند و همچنین به بهبود مدل‌های موجود دربارهٔ جهان اولیه کمک نمایند.
“پیش‌زمینهٔ پرتوهای کیهانی بالا، بزرگ‌ترین چالش در جستجوی سیگنال پرتو گاما از سیاه‌چاله‌های اولیه است”، افزود جیانگ.
“ما اکنون برنامه‌ریزی کرده‌ایم تا با به‌کارگیری فنون هوش مصنوعی، پیش‌زمینهٔ پرتوهای کیهانی را بیشتر سرکوب کنیم و نمونه‌ای پاک‌تر به‌دست آوریم. علاوه بر این، ساخت آرایهٔ بزرگ تلسکوپ‌های تصویری شناسایی شرفه جوی (LACT) در داخل LHAASO به‌طور چشمگیری توانایی تشخیص گاما‑پروتون و وضوح زاویه‌ای را ارتقا خواهد داد.”
“در آینده، انتظار می‌رود LHAASO نتایج رقابتی‌تری دربارهٔ رویدادهای انفجار سیاه‌چاله‌های اولیه ارائه دهد و به پیشبرد مطالعهٔ پدیده‌های افراطی نجومی کمک کند.”