فكرة الفنان عن نظام الكواكب كيبلر 42. لدينا كل الأسباب للاعتقاد بأن كل ذلك يتكون من مادة ، وليس مادة مضادة ، لكن الثقوب السوداء قد تخبرنا قصة مختلفة تمامًا - ليس لدينا طريقة لتحديد ما تتكون منهأحد أعظم الألغاز الكونية للكون بأكمله هو سبب وجود مادة فيه أكثر بكثير من المادة المضادة. تسمح لك قوانين الفيزياء ، على حد علمنا ، بإنشاء وتدمير المادة والمواد المضادة بدقة بنسب متساوية. ومع ذلك ، بالنظر إلى النجوم والمجرات والهياكل واسعة النطاق للكون ، نجد أنها كلها تتكون من المادة ، وكمية المادة المضادة ضئيلة. هذا اللغز الكوني يجعل الكثير من الناس يجادلون بأنه ربما توجد كمية متساوية من المادة المضادة ، ثم تنفصل بطريقة ما عن المادة. هل هذا ممكن ، وهل يمكن أن تختبئ المادة المضادة في الثقوب السوداء؟ يسأل قارئنا:
هناك سر وجود المادة وغياب كمية مناسبة من المادة المضادة. تشكلت بعض الثقوب السوداء البعيدة والقديمة بشكل أسرع بكثير مما تتوقعه النظريات الحالية. هل يمكن أن تختفي المادة المضادة المفقودة داخل هذه الثقوب السوداء ما قبل التاريخ؟ هل كتلة الثقوب السوداء الهائلة قابلة للمقارنة على الأقل تقريبًا مع كمية المادة المضادة المفقودة؟
الفكرة مثيرة. دعونا نتعمق في هذه النظرية ونصنفها.
يجب أن تتكون كتلة المجرة MACSJ0717.5 + 3745 من مادة ، تمامًا كما نفعل ، أو على خط البصر سنرى دليلاً على إبادة المادة مع المادة المضادةفي أي اتجاه نلاحظ الكون ، في كل مكان نرى نفس الشيء: المجرات والنجوم ، في جميع الاتجاهات وجميع أماكن الفضاء ، على الأقل في المتوسط. على المقاييس الصغيرة ، بالطبع ، تتراكم المجرات معًا ، ولكن إذا درست أكبر المقاييس ، فإن الكون في كل مكان سيكون له في المتوسط نفس الخصائص (على سبيل المثال ، الكثافة). إذا كان هناك في مكان ما مجرة تتكون من المادة المضادة ، وليس المادة ، فسنرى كمية كبيرة من الأدلة على إبادة المادة / المادة المضادة ، ونقص المادة على الحدود بين المادة والمادة المضادة. حقيقة أننا لم نجد مثل هذه الأدلة في أي مكان - لا في المجرات الفردية ، ولا في مجموعات المجرات ، ولا في مجموعات المجرات المتصادمة - تخبرنا أن 99.999 ٪ + الكون يتكون من مادة ، مثلنا ، وليس من المادة المضادة.
في العناقيد والمجرات والأنظمة النجمية المجاورة لنا ، في نظامنا الشمسي - توجد قيود خطيرة في كل مكان على نسبة المادة المضادة. ليس هناك شك - كل مكان في الكون يهيمن.وهذا أمر غريب ، لأنه وفقًا للفهم الحالي لقوانين الفيزياء ، لا نعرف الآليات التي تسمح لنا بإيجاد مادة أكثر من المادة المضادة. يفترض تناظر المادة والمادة المضادة ، من حيث فيزياء الجسيمات ، بشكل أكثر صرامة مما تتخيل. على سبيل المثال:
- في كل مرة يظهر كوارك ، يتم إنشاء علامة قديمة ،
- في كل مرة يتم تدمير الكوارك ، يتم تدمير العلامة العتيقة أيضًا ،
- في كل مرة تظهر أو يتم تدمير اللبتون ، يتم إنشاء أو تدمير البلطي من نفس عائلة اللبتون بنفس الطريقة ،
- في كل مرة يتفاعل فيها الكوارك أو الليبتون أو يصطدم أو يتحلل ، يبقى العدد الإجمالي للكواركات واللبتونات في نهاية التفاعل (الكواركات ناقصًا للعلامات العتيقة ، اللبتونات ناقصًا antileptons) ثابتًا.
الطريقة الوحيدة للحصول على المزيد من المادة في الكون هي أيضًا إنشاء المزيد من المادة المضادة.
إن الحصول على زوج من المادة / المادة المضادة (يسار) من الطاقة النقية [الفوتونات] هو رد فعل قابل للعكس تمامًا (يمين) ، يمكن للمادة / المادة المضادة أن تبدد ، وتتحول إلى طاقة نقية. إن عملية الخلق والإبادة ، وإطاعة المعادلة E = mc 2 هي الطريقة الوحيدة المعروفة لإنشاء وتدمير المادة أو المادة المضادة.التفسير القياسي لهذه الحقائق هو أنه في حين أنه ليس من الواضح كيف ، ولكن في الماضي من الكون ، ظهرت المادة أكثر من المادة المضادة. في الصورة القياسية للانفجار الكبير الساخن ، عندما كان الكون صغيرًا جدًا ، تم إنشاء عدد كبير من أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات لجميع الجسيمات المعروفة (وحتى تلك التي سنكتشفها لاحقًا). هذا لأنه في درجات الحرارة العالية والكثافة من الممكن إنتاج أزواج جديدة من الجسيمات المضادة من الطاقة النقية تلقائيًا ، بفضل Einstein's E = mc
2 . وبكميات متساوية ، تتلاشى هذه الأبخرة وتنتج طاقة نقية مرة أخرى (الفوتونات). مع تبريد الكون ، تنتهي الطاقة لصنع أزواج جديدة ، ويبدأ الإبادة.
مع توسع الكون وتبريده ، تتحلل الجسيمات غير المستقرة والجسيمات المضادة ، وتبدد أزواج المادة المضادة للمادة ، ولم تعد الفوتونات قادرة على الاصطدام بطاقة كبيرة بما يكفي لإنشاء جسيمات جديدة.إذا لم يكن لدينا عدم تناسق المادة والمادة المضادة ، فسيكون لدينا الكون الذي يوجد فيه لكل بروتون 10
20 فوتون وواحد مضاد للبروتونات. سيكون هناك نفس العدد تقريبًا من الإلكترونات والبوزيترونات مثل البروتونات والبروتونات المضادة - وهذا كل شيء. وبدلاً من ذلك ، نلاحظ الكون ، حيث يوجد لكل بروتون 1-2 مليار فوتون فقط. نفترض أنه في أوائل الكون كانت هناك عملية غير متماثلة معينة ولدت هذا التباين. مثال بسيط هو إنشاء مجموعة جديدة من الجسيمات والجسيمات المضادة مع تفضيلات مختلفة فيما يتعلق بقنوات الاضمحلال ، والتي يمكن أن تؤدي إلى ميزة طفيفة للمادة على المادة المضادة.
يمكن لمجموعة متماثلة من بوزونات المادة والمادة المضادة (X ، Y ، مكافحة X و Y) ، مع خصائص معينة لنظرية التوحيد العظيم ، أن تولد عدم تناسق المادة المضادة التي نلاحظها في الكون اليوم.ماذا عن فكرتنا الجديدة؟ ماذا لو تسبب شيء ما ، في وقت مبكر ، في انهيار المادة المضادة إلى ثقوب سوداء ، تاركًا المادة الطبيعية وراءها؟ بعد كل شيء ، نحن نلاحظ بالفعل BHs فائقة الضخمة في أعداد كبيرة! ومع ذلك ، فإن أصلهم ليس بالضرورة مشكلة أو دافعًا جيدًا لدعم مثل هذه الفكرة غير العادية. كل شيء يمكن تفسيره بدون مشاركة الفيزياء الجديدة يحتاج إلى شرح بهذه الطريقة ، وبالنسبة إلى BHs الهائلة ، نعتقد أن الأمر برمته هو انهيار مباشر. بالنسبة لبعض BHs ، من أجل المظهر ، ليس من الضروري في البداية وجود نجم يحترق ويتحول إلى مستعر أعظم. إنهم ببساطة ينهارون ، الأمر الذي يمكن أن يؤدي إلى "بذور" كبيرة بما يكفي من BH بسرعة كافية لتفسير وجود
الكوازارات الصغيرة التي نلاحظها اليوم.
تحتوي الكوازارات النائية الضخمة في قلبها على ثقوب سوداء هائلة. من الصعب جدًا إنشاءها بدون "بذرة" كبيرة ، لكن الثقب الأسود من الانهيار المباشر يمكن أن يحل هذا اللغز بأناقة. يمكننا أيضًا حساب كتل BHs المركزية بناءً على خصائص الكوازارات ، وعلى الرغم من أنها كبيرة بشكل لا يصدق ، إلا أنها تحتوي على كتلة أقل بكثير من المادة العادية في الكون.لذلك لا تنظر إلى الثقوب السوداء الهائلة. هناك أيضًا فكرة
الثقوب السوداء الأولية ، التي يتم إحيائها بشكل دوري كمرشح لشرح المادة المظلمة. لا يمكن أن تكون خفيفة للغاية ، أو أنها تتبخر بسرعة كبيرة ؛ لا يمكن أن تكون ثقيلة جدا ، أو نلاحظها. معظم الثغرات في الكتلة التي يجب أن تتناسب معها كتلة BHs الأولية ، مدعية لشرح الكتلة المفقودة للكون ، تم استبعادها بالفعل أو وضعها في إطار ضيق للغاية. يتطلب إنشاء BH الأساسي تقلبًا في الكثافة (انحرافًا عن متوسط الكثافة) بنسبة 68 ٪ ، ولكن في أوائل الكون ، لم تنحرف أكبر التقلبات عن متوسط الكثافة بأكثر من 0.006 ٪. في الواقع ، تم رفض النطاق الشامل المسموح به الوحيد الذي يتناسب مع BHs الأولية المسؤولة عن نسبة كبيرة بما يكفي من المادة المظلمة من قبل LIGO. تشير ملاحظاته لمعدل اندماج BH إلى أن الكتلة الإجمالية لهذه BHs التي تحتوي على 10 إلى 100 كتلة شمسية لا تتجاوز 0.000017٪ من الكثافة الحرجة.
قيود على المادة المظلمة ، تتكون من BHs الأولية. تم إغلاق "النافذة" الوحيدة المتاحة التي يمكن أن تتكون فيها المادة المظلمة من ثقوب سوداء بسبب قيود تم الحصول عليها من LIGO على خلفية عشوائية للثقوب السوداء لهذه الفجوة الكبيرة.علاوة على ذلك ، تمكنا من تقدير الكتلة الإجمالية لـ BH في الكون ، وتبلغ
حوالي 0.007٪ من إجمالي الطاقة . بالنظر إلى أن هناك مادة عادية أكثر بـ 700 مرة من BH ، لا يمكن أن تخفي المادة المضادة فيها ؛ المادة المضادة لا تؤدي إلى BH.
لكن لدينا طريقة أخرى لمعرفة: قوانين الفيزياء لها قواعد تناظر مهمة ويجب أن تلبيها المادة المضادة. تنطبق إحدى هذه القواعد على القوى التي تعمل على الجسيمات: بغض النظر عن القوة التي تعمل على الجسيم ، يجب أن تعمل قوة من نفس الحجم (ربما مع العلامة المعاكسة) على الجسيم المضاد. لكن هذا يعمل في كلا الاتجاهين ، لذلك لا يمكن أن تكون هناك قوى تعمل فقط على المادة المضادة. إذا كنت تريد شيئًا يتصرف وفقًا للمادة المضادة للكون ، فيجب أن يعمل أيضًا على المادة.
إن تغيير الجسيم إلى جسيم مضاد وانعكاسه المتزامن في المرآة هو ثبات CP. إذا انفصلت المادة المضادة للمرآة بشكل مختلف عن الطبيعي ، يتم انتهاك الثبات. يتم تقسيم تناظر الوقت ، أو T ، إذا تم كسر CP. يجب الحفاظ على التماثل المركب لـ C و P و T وفقًا لقوانين الفيزياء الحالية ، مما يؤثر على التفاعلات التي يمكن أن تحدث والتي لا يمكن أن تحدث.لذلك ، نظرًا لقوانين الفيزياء الحالية ، نحن على يقين من أن المادة المضادة لا يمكن أن تنهار تمامًا وتتحول إلى ثقب أسود ، تاركة المادة الطبيعية وراءها. إذا كانت كمية المادة المظلمة والعادية هي نفسها ، فإن هذا المنطق سيكون منطقيًا ، ولكن النقاط التالية:
- لسنا بحاجة إلى فيزياء غريبة لظهور BHs الهائلة في أوائل الكون ؛
- لا تتناسب BHs الأولية مع فكرة تكوين هياكل الكون ، ويتم استبعاد وجود عدد كبير منها ، في الغالب ؛
- المادة المضادة ممنوعة لتجربة التفاعلات التي تؤدي إلى تحولها إلى BH ، في حين أن BH لن يكون ممكنًا من المادة العادية.
بما يكفي للعودة إلى الصورة القياسية. بطريقة ما ، أنتج الكون مادة أكثر من المادة المضادة ، في مرحلة ما من الماضي البعيد ، ولهذا السبب تمكنت أنا وأنت من الظهور. الطريقة التي حدث بها هذا تبقى واحدة من أعظم الألغاز التي لم يتم حلها في فيزياء اليوم.
امتلأ الكون المبكر بالمادة والمادة المضادة ، التي كانت في بحر من الإشعاع. ولكن عندما أبيد كل هذا بعد التبريد ، بقي القليل من المادة. يُعرف الوصف الدقيق لهذه العملية باسم مشكلة النشوء النووي ، ويظل أحد أكبر المشاكل التي لم يتم حلها في الفيزياء.