LHAASO جستجوی تمام‌آسمانی برای سیاه‌چاله‌های اولیه منفجر شونده
توسط اینگرید فادلی، Phys.org
سیاه‌چاله‌های اولیه (PBHها) سیاه‌چاله‌هایی نظریه‌پردازی شده‌اند که بلافاصله پس از بیگ‌بنچ شکل گرفته‌اند. در مقایسه با سیاه‌چاله‌های ناشی از فروپاشی ستارگان، این سیاه‌چاله‌ها می‌توانند جرم‌های بسیار متفاوتی داشته باشند؛ از بسیار کوچک تا بسیار بزرگ.
از زمان اولین نظریه‌پردازی دربارهٔ آن‌ها در دههٔ ۱۹۷۰، سیاه‌چاله‌های اولیه مورد تمرکز بسیاری از تحقیقات نجومی‑فیزیکی قرار گرفته‌اند. کشف این سیاه‌چاله‌ها و نشانه‌های مرتبط می‌تواند بینش کلیدی دربارهٔ ریشه‌ها و تکامل جهان فراهم کند.
همکاری LHAASO، یک تیم پژوهشی بزرگ که داده‌های جمع‌آوری‌شده از رصدخانهٔ بزرگ شلیک‌های هوایی در ارتفاع بالا در چین را تحلیل می‌کند، اخیراً جستجوی تمام‌آسمانی برای ردپاهای سیاه‌چاله‌های اولیه منفجر شونده انجام داد.
مقالهٔ آن‌ها که در Physical Review Letters منتشر شد، سخت‌ترین محدودیت‌های تاکنون را بر تعداد سیاه‌چاله‌های اولیه‌ای که در اوایل جهان شکل گرفته‌اند، تعیین کرد.
«سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانند راه‌حل‌های بالقوه‌ای برای مسائل مختلف کیهانی ارائه دهند، از جمله به‌عنوان نامزد مناسب برای مادهٔ تاریک و فراهم کردن بذرهایی برای سیاه‌چاله‌های فوق‌جاذبه»، هووبینگ جیانگ، یکی از نویسندگان همکار مقاله، به Phys.org گفت.
«به‌تازگی این سیاه‌چاله‌ها توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند، زیرا می‌توانند مسئول برخی از سیگنال‌های امواج گرانشی ناشی از جفت‌های سیاه‌چاله‌ای باشند که توسط LIGO و Virgo شناسایی شده‌اند. به‌عنوان ابزار مهمی برای مطالعهٔ اوایل جهان، شواهد مشاهداتی از سیاه‌چاله‌های اولیه می‌توانند اطلاعات مهمی دربارهٔ دورهٔ اولیهٔ جهان ارائه دهند»، او افزود.
نحوهٔ جستجوی LHAASO برای انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه
LHAASO رصدخانه‌ای است که بر روی کوه هائیزی در استان سیچوان چین قرار دارد و گاما‑پرت‌ها را هنگام تعامل آن‌ها با جو زمین، که منجر به ایجاد دنباله‌های ذره‌ای به نام شیارهای هوایی می‌شود، شناسایی می‌کند. این رصدخانه دارای میدان دید وسیعی است و می‌تواند گاما‑پرت‌ها را با حساسیت بی‌سابقه‌ای کشف کند.
«این ویژگی‌ها، همراه با چرخهٔ کاری بالای LHAASO، آن را به طور منحصربه‌فردی قادر می‌سازد تا جستجوی تمام‌آسمانی برای سیگنال‌های احتمالی از انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه را انجام دهد»، جیانگ توضیح داد.
«سیاه‌چاله‌های اولیه‌ای که جرم اولیهٔ آن‌ها حدود … گرم (g) باشد، طول عمرشان نزدیک به سن جهان است و در زمان کنونی در حال تبخیر هستند (این پدیده به «تابش هاوکینگ» معروف است)»، او افزود.
در چارچوب مطالعهٔ اخیر خود، همکاری LHAASO یک نظرسنجی تمام‌آسمانی برای یافتن انفجارهای گاما‑پرت که از مرحلهٔ نهایی تبخیر سیاه‌چاله‌های اولیه سرچشمه می‌گیرند، انجام داد. داده‌های تحلیلی آن‌ها از آشکارساز چرنک آب در LHAASO بین مارس ۲۰۲۱ تا ژوئیه ۲۰۲۴ جمع‌آوری شد.
«سیگنالی که ما به‌دنبال آن بودیم، مجموعه‌ای شبیه به انفجار از پرتوهای گاما با انرژی بالا است که به ناگه در آسمان ظاهر می‌شود و برای مدت کوتاهی (کمتر از چند صد ثانیه) ادامه می‌یابد، با شکل‌گیری که با پیش‌بینی‌های نظری هم‌راستاست»، جیانگ گفت. «از آنجا که مکان دقیق انفجار ناشناخته است، آشکارساز باید میدان دید بسیار وسیعی داشته باشد تا بتواند آن را جستجو کند».
محدودیت‌های جدید و سخت‌گیرانه که می‌توانند جستجوهای آینده را هدایت کنند
اگرچه پژوهشگران در داده‌های تحلیل‌شده هیچ انفجار گاما‑پرتی که بتواند به سیاه‌چاله‌های اولیه مرتبط باشد، شناسایی نکردند، آن‌ها محدودیت‌های سفت‌تری بر چگالی انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه در نزدیکی زمین وضع کردند. تحلیل‌هایشان نشان می‌دهد که انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه بیش از ۱۸۱ بار در هر پارسک مکعب در هر سال خورشیدی رخ نمی‌دهد.
«در این کار، LHAASO حدود بالایی سخت‌گیرانه‌ترین را برای چگالی نرخ انفجارهای محلی سیاه‌چاله‌های اولیه ارائه می‌دهد، که محدودیت قبلی را بیش از یک مرتبه بهبود می‌بخشد»، جیانگ گفت. «این نتیجه محدودیت‌های قابل‌توجهی بر مدل‌های نظری مرتبط با جهان اولیه و مادهٔ تاریک اعمال می‌کند و فضای پارامترهای مدل نظری را به شدت محدود می‌سازد».
نتایج جدید گزارش‌شده توسط همکاری LHAASO نشان می‌دهد که احتمالاً سیاه‌چاله‌های اولیه بخش قابل‌توجهی از مادهٔ تاریک را تشکیل نمی‌دهند. محدودیت‌های وضع‌شده در این مطالعه می‌توانند مسیر جستجوهای آینده برای انفجارهای سیاه‌چاله‌های اولیه را راهنمایی کنند و به‌همین‌طور به بهبود مدل‌های موجود برای جهان اولیه کمک نمایند.
«پیش‌زمینهٔ پرتوهای کیهانی بالا، اصلی‌ترین چالش در جستجوی سیگنال گاما از سیاه‌چاله‌های اولیه است»، جیانگ افزود.
«ما در حال حاضر برنامه‌ریزی می‌کنیم تا با استفاده از تکنیک‌های هوش مصنوعی، پیش‌زمینهٔ پرتوهای کیهانی را بیشتر کاهش داده و نمونه‌ای پاک‌تر به‌دست آوریم. علاوه بر این، ساخت آرایهٔ بزرگ تلسکوپ‌های تصویر‌برداری جذبی جوی (LACT) در چارچوب LHAASO به طور قابل‌ملاحظه‌ای توانایی تشخیص گاما از پروتون و دقت زاویه‌ای را ارتقا خواهد داد».
«در آینده، انتظار می‌رود LHAASO نتایج رقابتی‌تری دربارهٔ رویدادهای انفجار سیاه‌چاله‌های اولیه ارائه دهد و به پیشرفت مطالعه پدیده‌های نهایتی در اخترفیزیک کمک کند».