ในที่สุดเราจะพบหลุมดำจากรุ่งอรุณของจักรวาลได้อย่างไร

หลุมดำโบราณที่ยังไม่ถูกค้นพบอาจซ่อนตัวอยู่ทั่วจักรวาล หลุมจักรวาลที่ไม่มีก้นบึ้งเหล่านี้มีอะไรเหมือนกันมากกับหลุมดำที่คุ้นเคยมากกว่า ในบางกรณีทั้งสองอาจจะแยกไม่ออก แต่หลุมดำที่ยังไม่ค้นพบเหล่านี้ต่างจากญาติของมัน หลุมดำที่ยังไม่ถูกค้นพบเหล่านี้ไม่ได้ก่อตัวขึ้นจากดาวมวลมากที่ยุบตัวในตัวมันเอง และพวกมันก็ไม่ใช่หลุมดำมวลมหาศาลที่กลืนกินใจกลางกาแลคซีด้วย

หลุมดำเหล่านี้น่าจะเกิดในยุคแรกสุดหลังบิ๊กแบง ก่อนที่ดวงดาวและกาแล็กซีจะเกิดขึ้นด้วยซ้ำ

วัตถุสมมุติเหล่านี้เรียกว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์และดึงดูดความสนใจมาตั้งแต่ปี 1960Stephen Hawking เขียนบทความฉบับแรกสุดเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของพวกเขา เพียงไม่กี่ปีต่อมา การสืบสวนหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์ของเขาทำให้เขามีความคิดที่โด่งดังที่สุดของเขา นั่นก็คือหลุมดำรั่วไหลพลังงาน— ปัจจุบันเรียกว่ารังสีฮอว์กิง — ในลักษณะที่จะปล้นมวลพวกมันไปอย่างช้าๆ

ในเวลานี้ หลังจากหลายทศวรรษของการไตร่ตรองถึงหลุมดำดึกดำบรรพ์ นักวิทยาศาสตร์ก็ดูเหมือนจะมองโลกในแง่ดีอย่างแท้จริงเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการตรวจจับพวกมัน มีความสนใจในสาขานี้เพิ่มมากขึ้น นักวิจัยที่เพิ่งรู้จักหลุมดำดึกดำบรรพ์กำลังร่วมมือกับผู้ตรวจสอบมายาวนานเพื่อปักหมุดข้อมูลที่สามารถพิสูจน์ได้ว่าหลุมดำเหล่านี้มีอยู่จริง หากพวกมันยังคงอยู่ทั่วจักรวาล พวกมันก็จะปล่อยรังสีฮอว์กิง หักล้างแสงดาว ชนกับวัตถุจักรวาลอื่น ๆ และกันและกัน บางทีอาจกลืนกินดวงดาวจากภายในสู่ภายนอกด้วยซ้ำ

กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกมันกำลังสร้างจักรวาลในลักษณะที่สังเกตได้

ในปี 2023 ทีมงานที่มีนักจักรวาลวิทยาเบอร์นาร์ด คาร์ ซึ่งเป็นผู้เขียนร่วมเอกสารสำคัญในยุคแรกๆ ของฮอว์คิงในหัวข้อระบุหลักฐานไว้มากกว่า 20 บรรทัดที่อาจสนับสนุนการดำรงอยู่ของหลุมดำดึกดำบรรพ์ ในการทบทวนประวัติศาสตร์เมื่อเร็วๆ นี้ คาร์คาดการณ์ว่าเราจะมีคำตอบภายในทศวรรษหน้า

“ฉันพนันได้เลยว่า 70 เปอร์เซ็นต์ – อาจจะ 60 หรือ 70 เปอร์เซ็นต์ – ที่มีอยู่” คาร์ ศาสตราจารย์กิตติคุณจากมหาวิทยาลัยควีนแมรีแห่งลอนดอนกล่าว “และนั่นเป็นความปรารถนาส่วนหนึ่งเพราะฉันชอบให้พวกมันมีอยู่จริง แต่เป็นสิ่งที่พยายามทำให้เป็นกลาง”

หากมีหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์อยู่ที่นั่น พวกมันสามารถช่วยไขปริศนาที่ใหญ่ที่สุดเรื่องหนึ่งในจักรวาลวิทยาได้: สสารมืดคืออะไร สารที่เข้าใจยากนี้มีจำนวนมากกว่าสิ่งของธรรมดาๆ ที่เราคุ้นเคยถึงหกเท่า ตั้งแต่คน ดาวเคราะห์ ไปจนถึงลูกดอง อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของมันให้เครดิตกับการยึดกาแลคซีไว้ด้วยกันและนั่งร้านสสารจักรวาลทั้งหมดที่เราเห็น แต่แม้จะค้นหามาหลายสิบปี แต่ก็ยังไม่มีใครรู้ว่ามันคืออะไร

หลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์สามารถอธิบายสสารมืดบางส่วนได้ นักวิจัยบางคนเชื่อว่าหลุมดำเหล่านี้อาจเป็นสาเหตุทั้งหมด แต่การดำรงอยู่ของพวกเขาไม่ได้ถูกกำหนดไว้ การก่อตัวของพวกมันต้องใช้ฟิสิกส์ใหม่ นักวิจารณ์บางคนชี้ให้เห็น ในบรรดานักวิจัยที่กำลังศึกษาหลุมดำเหล่านี้คือผู้ศรัทธาที่แท้จริง ผู้ที่หวังจะพิสูจน์หักล้างแนวคิดนี้และทุกคนที่อยู่ระหว่างนั้น

“ตอนนี้มีคนตื่นเต้นมากขึ้นอย่างแน่นอน” แอนน์ กรีน นักฟิสิกส์เกี่ยวกับดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยนอตติงแฮมในอังกฤษ ผู้ร่วมเขียนการทบทวนประวัติศาสตร์ร่วมกับคาร์ แต่คิดว่าตัวเองไม่เชื่อในคำถามเรื่องการดำรงอยู่กล่าว “และอาจเป็นเพราะว่ามีเหตุให้ตื่นเต้นมากกว่านี้”

หลุมดำทุกที่

ความสนใจที่เพิ่มขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้สืบย้อนไปถึงปี 2016 ในปีนั้น นักวิทยาศาสตร์รายงานว่าคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นระลอกคลื่นในกาลอวกาศที่ทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ถูกตรวจพบจากหลุมดำคู่หนึ่งที่รวมตัวกัน การค้นพบปีหน้าก็เปิดหน้าต่างใหม่เกี่ยวกับหลุมดำ

“เมื่อเรารู้ว่าเราสามารถสังเกตการรวมตัวกันของหลุมดำกับคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรง สิ่งนี้ก็กลายเป็นการสอบสวน” วิลล์ คินนีย์ นักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยบัฟฟาโลในนิวยอร์กกล่าว “ทุกครั้งที่คุณสร้างเครื่องมือใหม่ วิธีใหม่ในการสังเกตจักรวาล คุณก็เริ่มถามคำถามแตกต่างออกไป” เขากล่าวว่าความสนใจในปัจจุบันเกี่ยวกับหลุมดำดึกดำบรรพ์เป็นตัวอย่างที่ดีของสิ่งนั้น

จนกระทั่งข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงเริ่มหลั่งไหลเข้ามา มีหลุมดำสองประเภทที่ทราบกันว่ามีอยู่มากมาย หลุมดำ “ดาวฤกษ์” ดวงแรก เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มวลมากหมดเชื้อเพลิงและแกนกลางของมันก็พังทลายลงในตัวมันเอง โดยทั่วไปหลุมดำเหล่านี้มีมวลระหว่าง 5 ถึง 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และบางครั้งก็มากถึง 20 เท่าหรือมากกว่านั้น

หลุมดำมวลมหาศาลประเภทที่สอง คือ หลุมดำมวลมหาศาล ตั้งอยู่ใจกลางกาแลคซีและสามารถมีน้ำหนักได้หลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ บางทีสิ่งเหล่านี้อาจก่อตัวขึ้นในช่วงต้นประวัติศาสตร์กาแลคซีจากการล่มสลายของก๊าซโดยตรง หรือโดยการควบรวมหลุมดำดาวฤกษ์อย่างต่อเนื่อง ไม่ว่าในกรณีใด พวกมันจะเติบโตขึ้นเมื่อกินอะไรก็ตามที่อยู่ในมือ

แต่เมื่อหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงเลเซอร์ขั้นสูงหรือ LIGO รายงานการชนกันของหลุมดำครั้งแรกในปี 2559 วัตถุดังกล่าวมีมวลมากกว่าที่หลายคนคาดไว้ โดยแต่ละหลุมในคู่นี้มีน้ำหนักมากถึง 30 ดวงอาทิตย์

ไซเมียน เบิร์ด นักจักรวาลวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ในขณะนั้น เล่าถึงความสงสัยที่เกิดขึ้นกับมวลชนกับที่ปรึกษาของเขา ไม่นานก่อนที่ผลการวิจัยจะเปิดเผยต่อสาธารณะ เหตุใดการตรวจพบครั้งแรกของ LIGO จึงเป็นสิ่งที่คิดว่าเป็นหลุมดำที่หายากมากกว่าที่จะพบได้ทั่วไป

“บางทีมันอาจเป็นหลุมดำดึกดำบรรพ์” เบิร์ดเล่าพร้อมกับหัวเราะ “เป็นความคิดที่โง่เขลา” แต่ความคิดที่โง่เขลานั้นกลับกลายเป็นรายงานอย่างรวดเร็วในรูปของหลุมดำดึกดำบรรพ์รายงานจากทีมอื่นๆชี้ให้เห็นถึงความเป็นไปได้เช่นเดียวกัน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา LIGO ในสหรัฐอเมริกาได้เข้าร่วมโดย Virgo ในอิตาลีและ KAGRA ในญี่ปุ่น จนถึงขณะนี้ การทำงานร่วมกันได้ตรวจพบการรวมตัวกันของหลุมดำมากกว่า 80 แห่ง

นอกเหนือจากมวลหลุมดำที่น่าประหลาดใจที่เบิร์ดและคนอื่นๆ งง นักวิทยาศาสตร์บางคนยังสนใจการหมุนรอบอย่างช้าๆ ของหลุมดำ จำนวนการรวมตัวกันระหว่างหลุมดำที่มีมวลต่างกันอย่างมาก และความถี่ที่หลุมดำดูเหมือนจะรวมตัวข้ามจักรวาล เวลา.

“มีคุณสมบัติหลายอย่างที่แปลกประหลาด” Sébastien Clesse นักจักรวาลวิทยาจาก Université Libre de Bruxelles ในเบลเยียมกล่าว หลุมดำดึกดำบรรพ์สามารถช่วยอธิบายการค้นพบที่ไม่คาดคิดได้

ทำให้เกิดหลุมดำในยุคแรกเริ่ม

ในช่วงเสี้ยววินาทีที่เล็กที่สุดหลังจากบิ๊กแบง เมื่อเอกภพเป็นเพียงลูกบอลพลังงานที่ร้อนและอัดแน่น นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามันขยายตัวแบบทวีคูณ โดยเพิ่มขึ้นอย่างน้อย 10 เท่า²⁵ในเวลาน้อยกว่าหนึ่งในล้านล้านของหนึ่งในล้านล้านของวินาที — ระยะเวลาที่เรียกว่าอัตราเงินเฟ้อ ในช่วงเวลานี้ ความผันผวนของควอนตัมจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในความหนาแน่นของพลังงาน กระเปาะบางแห่งอาจมีความหนาแน่นมากจนอาจพังทลายลงมาทับหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ได้

นี่เป็นเพียงภาพเดียวที่นักวิจัยได้ค้นพบเพื่ออธิบายว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์สามารถก่อตัวได้อย่างไรหลังจากบิ๊กแบงเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน มีกลไกอื่นๆ ที่เสนอในช่วงเวลาแรกสุดของจักรวาล รวมถึงวงโคจรของจักรวาลหรือฟองอากาศที่ชนกัน

“ส่วนผสมเดียวที่คุณต้องการจริงๆ คือความหนาแน่นของพลังงานจำนวนมาก” นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Florian Kühnel จากสถาบันฟิสิกส์ Max Planck ในมิวนิกกล่าว

ไม่ว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์เหล่านี้ก่อตัวอย่างไรและเมื่อใด พวกมันก็คงจะปรากฏตัวในกลุ่มมวลที่หลากหลายมากกว่าที่เราเห็นในปัจจุบันมาก จะมีหลุมดำซึ่งมีมวลประมาณนกวิลเดอบีสต์ (สองสามร้อยกิโลกรัม) เช่นเดียวกับหลุมดำที่มีมวลเท่ากับยอดเขาเอเวอเรสต์ (หลายสิบถึงหลายร้อยล้านล้านกิโลกรัม) หลุมดำที่มีมวลดาวเคราะห์น้อยโดยประมาณจะยังคงมีขนาดเล็กมาก และจะมีหลุมดำที่มีมวลดาวเคราะห์และดวงดาวอยู่มาก บางทีอาจเลยมวลดวงอาทิตย์ไปหนึ่งล้านดวง

บางส่วนของหลุมดำดึกดำบรรพ์เหล่านั้นอาจอธิบายถึงการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่ไม่คาดคิด, Carr, Clesse, Kühnel และ Juan García-Bellido จากมหาวิทยาลัยอิสระแห่งมาดริดโต้แย้งในรายงานปี 2021 ในฟิสิกส์ของจักรวาลมืด-

หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในยุคดึกดำบรรพ์อาจช่วยตอบคำถามเปิดอีกข้อหนึ่งได้ นั่นคือ หลุมดำมวลมหาศาลแค่ไหนโดยเฉพาะที่ตรวจพบตั้งแต่เนิ่นๆ ในจักรวาล-คงจะใหญ่โตเร็วมาก- Clesse และGarcía-Bellido เสนอแนะตั้งแต่ต้นปี 2015 ว่าหากมีหลุมดำดึกดำบรรพ์ดำรงอยู่ พวกมันอาจทำหน้าที่เป็นเมล็ดพันธุ์สำหรับหลุมดำมวลมหาศาลในปัจจุบัน

รายงานประจำปี 2021 ได้ให้ภาพที่น่าเชื่อถือ Bird ซึ่งขณะนี้อยู่ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ กล่าว แต่ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ธรรมดาๆ อาจยังคงอธิบายการสังเกตการณ์หลุมดำที่น่าสงสัยได้

ส่วนหนึ่งของความท้าทายก็คือนักวิทยาศาสตร์มีความรู้เกี่ยวกับหลุมดำโดยทั่วไปไม่เพียงพอ ยังไม่มีภาพที่ชัดเจนว่าพวกมันถูกกระจายอย่างไร พวกมันรวมตัวกันบ่อยแค่ไหน หรือสภาพแวดล้อมของมันมีอิทธิพลต่อการกินอาหาร การเจริญเติบโต หรือการระเหยของรังสีฮอว์กิงอย่างไร การศึกษาฟิสิกส์ของหลุมดำที่ล้อมรอบด้วยก๊าซและฝุ่นเช่นเดียวกับที่อยู่ในจักรวาลนั้นเป็นเรื่องยาก หลายรุ่นไม่ได้คำนึงถึงเรื่องนั้น

“เรามีทฤษฎีบทที่งดงามและงดงามซึ่งทำให้เพื่อนร่วมงานของเราได้รับรางวัลโนเบลอย่างถูกต้อง” David Kaiser นักฟิสิกส์และนักประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ที่ MIT กล่าว “และผลลัพธ์เหล่านี้เกือบทั้งหมดเป็นการศึกษาหลุมดำและไม่มีอะไรอื่นที่พูดอย่างหลวมๆ”

การตรวจจับหลุมดำยุคแรกเริ่ม

แม้จะไม่ทราบทั้งหมด แต่มีข้อสังเกตสองประการที่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เห็นพ้องต้องกันว่าชี้ไปที่หลุมดำยุคดึกดำบรรพ์อย่างชัดเจน และความตื่นเต้นล่าสุดส่วนใหญ่อยู่ที่ว่าจะสังเกตสัญญาณดังกล่าวได้อย่างไร

หลุมแรกจะเป็นหลุมดำที่ตรวจพบตั้งแต่ก่อนดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้น บางทีอาจเป็นภายในร้อยล้านปีแรกหลังบิ๊กแบง เนื่องจากมันไม่สามารถก่อตัวจากดวงดาวได้ มันจึงต้องเป็นวัตถุดึกดำบรรพ์ ความคิดดำเนินต่อไป เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่มีอยู่ไม่สามารถมองย้อนกลับไปได้ไกลขนาดนั้น แต่ในอนาคตอาจมองย้อนกลับไปได้ ที่ซึ่งมีกำหนดเปิดตัวในช่วงปี 2030 และกล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์และนักสำรวจจักรวาลทั้งในขั้นตอนการวางแผนสามารถไปถึงยุคโบราณล้ำยุคนี้ได้

สัญญาณที่เป็นไปได้อย่างที่สองซึ่งอาจพบได้จากหอดูดาวที่มีอยู่ อาจเป็นหลุมดำที่มีมวลประมาณดวงอาทิตย์หรือน้อยกว่านั้น นั่นคงเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจผ่านกลไกการก่อตัวทั่วไป โดยปล่อยให้หลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์เป็นคำอธิบายที่น่าเชื่อถือที่สุด

García-Bellido เป็นผู้นำกลุ่มที่มองหาหลุมดำเหล่านี้ในข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงในปัจจุบัน และทีมงานกำลังศึกษาผู้สมัครบางคนอยู่แล้ว

“ถ้า LIGO พบหลุมดำมวลหนึ่งดวงอาทิตย์ ทุกคนคงจะเชื่อว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์มีจริง” เอิร์ล เบลลิงเจอร์ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดาวฤกษ์จากมหาวิทยาลัยเยลกล่าว เขาบอกว่าเขาไม่สามารถนึกถึงกระบวนการอื่นใดที่สมเหตุสมผลที่จะให้มวลขนาดนั้นได้

“และถ้ามันน้อยกว่าหนึ่งมวลดวงอาทิตย์ก็ยิ่งดี”

กล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์และนักสำรวจจักรวาลจะเร่งการค้นหาหลุมดำซึ่งมีมวลประมาณดวงอาทิตย์หรือน้อยกว่านั้น และบางทีมกำลังจับตามองอยู่เครื่องตรวจจับประเภทที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงที่จะมองหาคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำที่มีมวลเท่ากับดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์น้อยหรือน้อยกว่านั้น

แต่คลื่นความโน้มถ่วงอาจไม่ใช่วิธีเดียวที่จะตรวจจับหลุมดำเช่นนี้ได้ นักวิจัยบางคนมีแนวคิดอื่น

ตัวอย่างเช่น เบลลิงเจอร์เพิ่งถามคำถามว่า จะเกิดอะไรขึ้นหากหลุมดำดึกดำบรรพ์เล็กๆ แฝงตัวอยู่ในดาวฤกษ์ นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงหลายคน รวมถึงฮอว์คิง เคยศึกษาคำถามนี้มาก่อน แต่ไม่มีความเข้าใจแน่ชัดว่าหลุมดำที่มีมวลคล้ายกับดวงจันทร์หรือดาวเคราะห์น้อยจะกินอาหารและเติบโตภายในดาวฤกษ์ได้เร็วแค่ไหน และด้วยเหตุนี้แสงของดาวฤกษ์จะหลุดพ้นจากแรงดึงดูดของหลุมดำหรือไม่

“หลุมดำมีบุฟเฟ่ต์ที่กินได้ไม่อั้นซึ่งเป็นพลาสมาของดวงดาว และคุณอาจคิดว่าดาวฤกษ์เพิ่งตกลงไปซึ่งอาจเกิดขึ้นได้” เบลลิงเจอร์กล่าว “แต่ถ้ามันตกลงมาเกือบจะเป็นมุม คุณคาดหวังว่าทุกสิ่งรอบตัวจะร้อนขึ้น ถ้ามันได้รับความร้อน มันจะออกแรงกดและมีความสว่างบางส่วนไหลออกมา”

Bellinger, Kühnel และเพื่อนร่วมงานตัดสินใจตรวจสอบสถานการณ์ต่างๆ ของดาวฤกษ์ที่มีหลุมดำอยู่ข้างใน ซึ่งเรียกว่าดาวฮอว์คิง- ทีมงานรายงานผลเดือนธันวาคม 2566 ในวารสารดาราศาสตร์ฟิสิกส์-

“สถานการณ์ที่สนุกที่สุดคือถ้าพลังงานหมดไป” เบลลิงเจอร์กล่าว ในกรณีนั้น คุณจะเห็นดาวยักษ์แดงประเภทหนึ่งที่เรียกว่าผู้พลัดหลงสีแดง ดาวฤกษ์ดังกล่าว (ซึ่งมีคำอธิบายอื่นที่อาจเป็นไปได้มากกว่า) ถูกพบเป็นจำนวนมากในกาแลคซีแคระใกล้ทางช้างเผือกซึ่งคิดว่ามีสสารมืดครอบงำ เบลลิงเจอร์และเพื่อนร่วมงานตั้งข้อสังเกตว่าการศึกษาว่าความเข้มของแสงจากดาวฤกษ์เหล่านี้แกว่งไปมาอย่างไรสามารถแยกแยะดาวฤกษ์ฮอว์กิงจากดาวพลัดหลงสีแดงที่ก่อตัวในอีกทางหนึ่งได้ จึงเสนอหลักฐานของหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์

แล้วใกล้บ้านล่ะ? ในเดือนกันยายน พ.ศ. 2567 มีทีมนักวิจัยสองทีมแยกกันเสนอแนะอาจจะตรวจพบได้ เคลสส์และคนอื่นๆ แย้งว่าหลุมดำซึ่งมีมวลเท่ากับดาวเคราะห์น้อยจะมีขนาดใหญ่พอที่จะปรับเปลี่ยนวงโคจรของดาวเทียม รวมถึงที่ใช้สำหรับการนำทางด้วย GPS ด้วย อีกทีมหนึ่งซึ่งรวมถึงไคเซอร์และเพื่อนร่วมงานจาก MIT อธิบายว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ดังกล่าวอาจรบกวนวงโคจรของดาวอังคารได้อย่างไร

Kaiser และนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Elba Alonso-Monsalve จาก MIT ยังได้เสนอแนะว่าอาจมีวิธีที่จะตรวจจับหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีขนาดเล็กมากจำนวนหนึ่งที่หายไปนานแล้ว

ในการศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ ทีมงานได้ตรวจสอบการก่อตัวของหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์เล็กน้อยหลังจากพองตัว แต่ยังมีอยู่เพียงประมาณ 10^-20วินาทีหลังบิ๊กแบง ในเวลานั้น อนุภาคย่อยของอะตอมที่เรียกว่าควาร์กและกลูออนลอยได้อย่างอิสระ แต่ยังไม่ได้จับกันเป็นโปรตอนและนิวตรอน

เมื่อหลุมดำก่อตัวขึ้นในช่วงมวล พวกมันก็จะกลืนควาร์กและกลูออนเหล่านี้ไปพร้อมกับคุณสมบัติควอนตัมที่เรียกว่าประจุสีที่อนุภาคมีอยู่ สำหรับหลุมดำที่มีขนาดใหญ่เพียงพอ การรวมประจุสีจะถูกยกเลิก โดยไม่ทิ้งประจุสีสุทธิไว้ แต่นั่นจะไม่เป็นความจริงสำหรับหลุมดำที่เลวร้ายที่สุด

หลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ใดๆ ก็ตามที่มีขนาดเล็กพอที่จะมีประจุสีคงจะระเหยออกไปโดยรังสีฮอว์กิงในตอนนี้ แต่พวกมันเหล่านั้นอาจทิ้งบัตรโทรศัพท์ไว้ที่นักวิทยาศาสตร์สามารถมองหาได้ Alonso-Monsalve และ Kaiser รายงานเมื่อเดือนมิถุนายนที่ผ่านมาจดหมายทบทวนทางกายภาพ- ตัวอย่างหนึ่ง การระเหยของหลุมดำที่มีประจุสีอาจส่งผลต่ออัตราส่วนของธาตุแสง ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเธียมที่เกิดจากพลาสมาของเอกภพยุคแรกเริ่ม

หากค้นพบสัญญาณที่ชัดเจนของหลุมดำที่มีประจุสี พวกมันจะชี้ไปที่การมีอยู่ของหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าซึ่งยังไม่มีประจุสีอยู่ในปัจจุบัน และเป็นหลุมดำดึกดำบรรพ์ในปัจจุบันที่มีศักยภาพในการแก้ปัญหาเรื่องสสารมืด

หลุมดำดึกดำบรรพ์สามารถอธิบายสสารมืดได้หรือไม่?

เพื่อเป็นคำอธิบายเกี่ยวกับสสารมืด หลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์อยู่ภายใต้ร่มเงาของผู้สมัครยอดนิยมอีกรายหนึ่งมานานแล้ว นั่นก็คืออนุภาคมูลฐานของอะตอมสมมุติ ครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา มีเหตุผลที่น่าสนใจสำหรับนักฟิสิกส์อนุภาคที่เชื่อว่าในไม่ช้าอนุภาคใหม่และแปลกตาจำนวนมากจะถูกค้นพบ Kaiser กล่าว ด้วยความหวังอันสูงส่ง นักวิทยาศาสตร์จึงออกเดินทางกันเป็นจำนวนมากเพื่อตามหาพวกมัน

เมื่อเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก เปิดใช้งานในปี 2551 ใกล้เมืองเจนีวา คาดว่าจะพบข้อพิสูจน์ถึงอนุภาคดังกล่าว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง- คนอื่นๆ ค้นหาสสารมืดของอนุภาคสูงและต่ำโดยมีเครื่องตรวจจับขนาดใหญ่เข้ามาและแม้แต่เครื่องตรวจจับขนาดกะทัดรัดบน- แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีหลักฐาน

กรีน แห่งมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม เปรียบเทียบการค้นหา WIMP กับการมองหาเข็มในกองหญ้า ตอนนี้เราผ่านมาเกือบหมดแล้วในกองหญ้าโดยที่ไม่พบเข็มเลย ไม่ได้หมายความว่าอนุภาคไม่อยู่ที่นั่น แต่ความมั่นใจว่าจะพบอนุภาคเริ่มลดน้อยลง

“ขณะนี้อาจมีคนหลายพันคนที่ทำการทดลองการตรวจจับ WIMP และพวกเขาไม่ควรหยุดเลย” กรีนกล่าว “แต่ฉันไม่จำเป็นต้องดื่มแชมเปญบนน้ำแข็ง”

ในแง่หนึ่งในการดูหลุมดำดึกดำบรรพ์ไม่ใช่ตัวเลือกสสารมืดที่ลึกซึ้ง เนื่องจากเรารู้ว่าหลุมดำมีอยู่ทั่วไป นักวิจัยบางคนจึงโต้แย้งว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์เป็นคำอธิบายที่ง่ายกว่าอนุภาคใหม่และแปลกประหลาด ในทางกลับกัน หลุมดำยุคดึกดำบรรพ์จำเป็นต้องมีฟิสิกส์ใหม่ในรูปแบบของการปรับเปลี่ยนแบบจำลองปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น ภาพมาตรฐานของอัตราเงินเฟ้อไม่ได้สร้างความผันผวนในความหนาแน่นของพลังงานมากนักในตัวมันเอง

“ถ้าฉันเขียนแบบจำลองการพองตัวลงไป มันจะไม่ก่อให้เกิดหลุมดำเลย” คินนีย์กล่าว “ฉันต้องใช้ความรุนแรงกับเรื่องนั้นจริงๆ เพื่อที่จะให้มันสร้างหลุมดำตั้งแต่แรก”

ไม่ว่าอะไรจะดูเป็นไปได้มากกว่าก็ตาม หากพบหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ มันก็ถือเป็นสสารมืดตามคำนิยาม หลุมดำดึกดำบรรพ์ก็เหมือนกับหลุมดำอื่นๆ ที่มีความมืด พวกมันไม่มีปฏิกิริยากับสสารอื่นมากนักยกเว้นผ่านแรงโน้มถ่วง และมีคุณสมบัติที่สำคัญอีกสองประการที่จะสอดคล้องกับความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสสารมืดในปัจจุบัน: พวกมันเย็น (หมายความว่าพวกมันเคลื่อนที่ช้า) และถือว่าไม่มีแบริโอนิก (เนื่องจากพวกมันก่อตัวก่อนโปรตอนและนิวตรอนจะครอบงำจักรวาล)

แต่เพียงเพราะหลุมดำดึกดำบรรพ์เป็นสสารมืด ไม่ได้หมายความว่าการดำรงอยู่ของพวกมันจะคลี่คลายความลึกลับได้อย่างสมบูรณ์ ในการทำเช่นนั้น พวกมันจะต้องมีมากมายพอที่จะอธิบายมวลที่หายไปของเอกภพได้ทั้งหมด การวิจัยหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ในอดีตส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การจำกัดปริมาณของพวกมัน

พิจารณาสิ่งที่สำคัญที่สุด พวกมันไม่สามารถอธิบายสสารมืดได้เพราะมันหายไปนานแล้ว ในอีกขั้วหนึ่ง อิทธิพลโน้มถ่วงของหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีมวลมากที่สุดและการแผ่รังสีที่ปล่อยออกมาในขณะที่พวกมันป้อนเข้าไป จะทำให้พวกมันหายไปแล้ว

การวัดหลายประเภทที่ดำเนินการตลอดหลายทศวรรษได้เสนอแนะว่าสำหรับหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีพิสัยมวลทั้งหมดยกเว้นช่วงมวลเดียวนั้นไม่สามารถมีมากมายเพียงพอที่จะอธิบายมวลสสารมืดได้มากกว่าส่วนเล็กๆ การวัดเหล่านี้มาจากการค้นหาสิ่งที่เรียกว่าวัตถุฮาโลขนาดกะทัดรัดขนาดใหญ่หรือ MACHOs ในทางช้างเผือก รวมถึงการสังเกตแสงโบราณวัตถุที่เหลืออยู่จากบิ๊กแบง การศึกษารังสีแกมมา และอื่นๆ

มีการรายงานความพยายามครั้งหนึ่งในปี 2024 ในธรรมชาติตัวอย่างเช่น ดูข้อมูลในช่วง 20 ปีสำหรับการขยายปากโป้งของแสงดาวที่อยู่ไกลออกไปซึ่งหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์หรือวัตถุขนาดใหญ่อื่นๆ จะทำให้เกิด นักวิจัยสรุปว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์มีมวลประมาณ 4 เท่าของมวลโลก จนถึง 860 เท่าของมวลดวงอาทิตย์สามารถสร้างสสารมืดในจักรวาลได้ไม่เกินร้อยละ 10-

จากการสังเกตดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่ามีเพียงหลุมดำที่มีมวลประมาณมวลดาวเคราะห์น้อย (ประมาณ 10 ดวง)²⁰กรัมหรือประมาณหนึ่งในล้านล้านของมวลดวงอาทิตย์) สามารถประกอบเป็นสสารมืดส่วนใหญ่ได้ ถึงกระนั้น ผู้สนใจหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์กลุ่มเล็กๆ รวมถึงคาร์, เคลสส์ และคนอื่นๆ คิดว่าหลักฐานที่มีอยู่ไม่เพียงพอที่จะแยกแยะหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์รอบมวลดวงอาทิตย์ในฐานะผู้สมัครสสารมืดได้

“การพิจารณาแนวคิดที่ว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์อาจมีส่วนทำให้เกิดสสารมืดในทางใดทางหนึ่งนั้นไม่ได้ยืดเยื้อมากนัก” Kinney กล่าว “ความจริงที่ว่าหลุมดำอาจเป็นสสารมืดทั้งหมด นั่นขายยากกว่าสำหรับฉัน”

เป็นไปได้เสมอว่าสสารมืดไม่ได้เป็นเพียงสิ่งเดียว แต่เป็นการผสมผสานของสิ่งต่าง ๆ วัตถุธรรมดาก็คือส่วนผสมของอนุภาคนั่นเอง หรืออาจเป็นไปได้ว่าทั้งหลุมดำดึกดำบรรพ์และ WIMP ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของคำตอบ แม้ว่าสสารมืดจะเป็นแนวคิดที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่ก็อาจเป็นไปได้ว่ามันไม่มีอยู่เลย และนักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องกลับมาทบทวนแนวคิดเกี่ยวกับวิธีการทำงานของแรงโน้มถ่วงแทน

นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Marek Abramowicz จากมหาวิทยาลัยโกเธนเบิร์กในสวีเดนเชื่อว่าการปรับเปลี่ยนทฤษฎีแรงโน้มถ่วงบางอย่างสามารถอธิบายปริศนาสสารมืดได้ เขายอมรับว่าเป็นคนกลุ่มน้อย แต่เขาเสริมว่า “โชคดีในวิชาฟิสิกส์ เรากำลังพิสูจน์สิ่งต่างๆ ด้วยการคำนวณหรือการสังเกต ไม่ใช่โดยการลงคะแนน” Abramowicz เดิมพันว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์จะถูกตัดออกไปเพื่อเป็นคำอธิบายเกี่ยวกับสสารมืดในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

แม้ว่าหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์จะไม่มีอยู่จริง แต่การทำงานกับหลุมดำนั้นไม่ได้ไร้ประโยชน์เลย Clesse กล่าวยกตัวอย่างซึ่งถือเป็นชัยชนะทางวิทยาศาสตร์ที่เกิดจากการวิจัยในหัวข้อนี้ นอกจากนี้ เขาตั้งข้อสังเกตอีกว่า นักวิทยาศาสตร์ทุกคนที่ศึกษาหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์กำลังได้รับข้อมูลเชิงลึกมากมายเกี่ยวกับฟิสิกส์ของเอกภพยุคแรกเริ่ม

“มันไม่ไร้ประโยชน์” Clesse กล่าว “มันเป็นวิทยาศาสตร์”