מחקר תאורטי מציע כי היקום עבר שלב של התכווצות לפני שהחל להתפשט. חורים שחורים וגלי כבידה ששרדו את המעבר עשויים להסביר חלק מן החומר האפל ואת הופעתם המוקדמת של חורים שחורים ענקיים
האם ייתכן שחלק מהחורים השחורים ביקום עתיקים יותר מן המפץ הגדול? מחקר תאורטי חדש מציע תרחיש כזה בדיוק: היקום לא החל בנקודה יחידה שבה הופיעו המרחב והזמן, אלא עבר קודם שלב של התכווצות, הגיע לצפיפות גבוהה מאוד – אך סופית – ואז “ניתר” והחל להתפשט.
בתרחיש זה, המכונה קוסמולוגיה של יקום מנתר, כמה מן המבנים שנוצרו בשלב ההתכווצות יכלו לשרוד את המעבר ולהופיע מחדש ביקום המתפשט. בין השרידים האפשריים: חורים שחורים, תנודות בצפיפות החומר וגלי כבידה. המחקר פורסם בכתב העת Physical Review D בידי פרופ’ אנריקה גסטניאגה מאוניברסיטת פורטסמות וממכון מדעי החלל בברצלונה.
חשוב להדגיש כי מדובר במודל תאורטי ולא בגילוי של חורים שחורים מלפני המפץ הגדול. החוקרים עדיין לא מצאו עצמים כאלה ולא הוכיחו שהיקום אכן עבר שלב קודם של התכווצות.
לא התחלה מוחלטת, אלא מעבר בין שני שלבים
המודל המקובל של המפץ הגדול מתאר היטב את התפתחותו של יקום חם וצפוף ואת התפשטותו במשך כ־13.8 מיליארד שנה. הוא מסביר בין השאר את קרינת הרקע הקוסמית ואת התפלגות הגלקסיות בקנה מידה גדול. עם זאת, כאשר תורת היחסות הכללית מופעלת לאחור עד לרגעים הראשונים ביותר, היא מובילה לסינגולריות – מצב שבו הצפיפות נעשית אינסופית והמשוואות חדלות לספק תיאור פיזיקלי שימושי.
מודלים של יקום מנתר מנסים להחליף את הסינגולריות במעבר חלק יותר. היקום מתכווץ, אך השפעות קוונטיות יוצרות לחץ המונע מן החומר להידחס ללא גבול. לאחר שההתכווצות נעצרת מתחיל שלב חדש של התפשטות.
גסטניאגה טוען כי המנגנון אינו מחייב בהכרח הכנסת חומר אקזוטי או שינוי שרירותי בחוקי הכבידה. לדבריו, לחץ שמקורו בעקרונות קוונטיים, בדומה ללחץ המייצב ננסים לבנים וכוכבי נייטרונים, עשוי לפעול גם בקנה מידה קוסמולוגי.
כיצד חור שחור יכול לשרוד “קפיצה” קוסמית?
במאמר מתוארים שני מסלולים אפשריים ליצירת חורים שחורים שרידיים. במסלול הראשון, עצמים קומפקטיים או הפרעות כבידתיות שנוצרו בזמן התכווצות היקום יוצאים מעבר לאופק הסיבתי. כתוצאה מכך הם “קופאים” מבחינה דינמית ועשויים להישמר עד לאחר תחילת ההתפשטות.
במסלול השני, החומר בשלב ההתכווצות מתרכז בהילות צפופות, בדומה להילות שבתוכן נוצרות גלקסיות. ההילות חוצות את האופק בזמן ההתכווצות ולאחר מכן, כאשר הן נכנסות מחדש לאופק ביקום המתפשט, הן יכולות לקרוס לחורים שחורים.
חישובי המודל מצביעים על כך שהפרעות או עצמים שגודלם הפיזי בשלב הקריטי גדול מסדר גודל של כ־90 מטר עשויים לשרוד את המעבר. אין פירוש הדבר שכל עצם בן 90 מטר מן היקום הקודם שרד, אלא שזהו סף תאורטי התלוי בהנחות המסוימות של המודל.
מועמדים אפשריים לחומר האפל
החורים השחורים השרידיים עשויים, לפי המחקר, לתרום לחומר האפל – החומר הבלתי נראה שהשפעתו הכבידתית ניכרת בתנועת הכוכבים והגלקסיות. אם נוצרו חורים שחורים בכמות ובטווח מסות מתאימים, הם עשויים להסביר חלק מן החומר האפל, ואולי אף את כולו.
זהו רעיון שונה מן התרחיש המקובל של חורים שחורים קדמוניים, שבו החורים השחורים נוצרים מתנודות צפיפות ביקום הצעיר לאחר המפץ הגדול. במודל החדש, לפחות חלק מן העצמים מקורם בתקופת ההתכווצות שקדמה לקפיצה הקוסמית.
עם זאת, האפשרות שכל החומר האפל מורכב מחורים שחורים כפופה למגבלות תצפיתיות מחמירות. תצפיות בעידוש כבידתי, בקרינת הרקע ובהתנגשויות של חורים שחורים מגבילות את שכיחותם בטווחי מסה שונים. המאמר הנוכחי מציע מנגנון יצירה, אך עדיין נדרשת התאמה מפורטת לכלל הנתונים.
האם טלסקופ החלל ג’יימס וב כבר רואה את צאצאיהם?
המודל עשוי גם לספק הסבר אפשרי להופעתם המוקדמת של חורים שחורים מסיביים. טלסקופ החלל ג’יימס וב גילה ביקום הצעיר מקורות קומפקטיים ואדומים, המכונים “נקודות אדומות קטנות”. חלקם עשויים להכיל חורים שחורים הצוברים חומר במהירות.
אם “זרעים” מסיביים של חורים שחורים כבר התקיימו מיד לאחר הקפיצה, לא היה צורך ליצור אותם מאפס בתוך מאות מיליוני שנים. הם יכלו לשמש בסיס לצמיחתם של החורים השחורים העל־מסיביים הנמצאים כיום במרכזי גלקסיות. עם זאת, זהו הסבר אפשרי בלבד, ועדיין לא ברור מה טבען של כל הנקודות האדומות הקטנות.
כיצד אפשר לבדוק רעיון על תקופה שקדמה למפץ הגדול?
המחקר מציע לחפש רקע ייחודי של גלי כבידה, שיכול היה להיווצר בשלב ההתכווצות ולשרוד את הקפיצה. אפשרות אחרת היא לאתר דפוסים בקרינת הרקע הקוסמית או בהתפלגות הגלקסיות שאינם מתאימים לתחזיות האינפלציה המקובלת.
גם אוכלוסייה חריגה של חורים שחורים – למשל עצמים בטווחי מסה שקשה להסביר באמצעות קריסת כוכבים – עשויה לספק רמזים. אולם גילוי חורים שחורים כאלה לא יספיק לבדו: יהיה צורך להראות שתכונותיהם מתאימות במדויק לתחזיות המודל ואינן ניתנות להסבר באמצעות תהליכים מוכרים.
הרעיון של “מאובנים קוסמיים” פותח אפשרות מסקרנת: המפץ הגדול לא היה בהכרח תחילתו המוחלטת של הכול, אלא גבול בין שני פרקים בתולדות היקום. בשלב זה, עם זאת, מדובר בהשערה שנדרשת לעמוד במבחנים תצפיתיים רבים. הטקסט שסופק לידיעה מבוסס על כתבת SciTechDaily.
שאלות נפוצות
האם באמת נמצאו חורים שחורים שנוצרו לפני המפץ הגדול?
לא. מדובר במודל תאורטי, ולא בגילוי תצפיתי. החוקרים מציעים כי בתרחיש של “יקום מנתר” חורים שחורים מסוימים יכלו להיווצר בשלב שקדם להתפשטות הנוכחית ולשרוד את המעבר.
מהו יקום מנתר?
זהו מודל קוסמולוגי שלפיו היקום לא התחיל בסינגולריות מוחלטת, אלא עבר תחילה שלב של התכווצות. כשהצפיפות הגיעה לערך גבוה מאוד, השפעות קוונטיות עצרו את הקריסה והובילו לתחילת התפשטות חדשה.
כיצד חור שחור יכול לשרוד מעבר כזה?
לפי המודל, עצמים קומפקטיים ותנודות צפיפות גדולות מספיק עשויים לעבור את שלב הקפיצה בלי להיהרס. החישובים מצביעים על כך שמבנים שגודלם היה גדול מכ־90 מטר בתנאים המתוארים עשויים היו לשרוד, אך זהו סף תאורטי התלוי בהנחות המודל.
האם החורים השחורים האלה יכולים להיות החומר האפל?
ייתכן, לפחות לפי התרחיש שנבדק. אם נוצרה אוכלוסייה גדולה מספיק של חורים שחורים שרידיים, הם עשויים להסביר חלק מן החומר האפל, ואולי אף את כולו. עם זאת, יש להתאים את התחזית למגבלות תצפיתיות קיימות על חורים שחורים בטווחי מסה שונים.
במה הם שונים מחורים שחורים קדמוניים רגילים?
חורים שחורים קדמוניים מוצעים בדרך כלל כעצמים שנוצרו מתנודות צפיפות זמן קצר לאחר המפץ הגדול. במודל החדש, חלק מן החורים השחורים עשויים להיווצר עוד בשלב ההתכווצות שקדם לקפיצה הקוסמית.
האם המודל מסביר את החורים השחורים הענקיים ביקום הצעיר?
הוא מציע הסבר אפשרי. אם חורים שחורים מסיביים כבר התקיימו מיד לאחר הקפיצה, הם יכלו לשמש “זרעים” שמהם צמחו במהירות החורים השחורים העל־מסיביים שנצפו בגלקסיות קדומות.
כיצד אפשר לבדוק את התיאוריה?
אפשר לחפש רקע ייחודי של גלי כבידה, סימנים חריגים בקרינת הרקע הקוסמית או אוכלוסיות של חורים שחורים שקשה להסביר באמצעות קריסת כוכבים רגילה. עד כה לא נמצאה ראיה חד־משמעית ליקום שקדם למפץ הגדול.
האם המודל מבטל את תיאוריית המפץ הגדול?
לא. הוא אינו שולל את העובדה שהיקום היה בעבר חם וצפוף והתפשט מאז. הוא מציע שהשלב המכונה “המפץ הגדול” לא היה בהכרח ההתחלה המוחלטת, אלא מעבר בין תקופת התכווצות לתקופת התפשטות.
למאמר המדעי DOI: 10.1103/pr4p-6m49
עוד בנושא באתר הידען:
