اگر سیاه‌چاله نخستین بسیار کوچکی از بدن شما عبور کند، چه اتفاقی می‌افتد؟

خلاصه مقاله:

• سیاه‌چاله‌های نخستین، اجرامی فرضی هستند که در لحظات بسیار آغازین جهان شکل گرفته‌اند و می‌توانند بسیار کوچک‌تر از سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای باشند.
• رابرت جی شرر، فیزیکدان دانشگاه وندربیلت، بررسی کرده است که اگر سیاه‌چاله نخستین کوچکی از بدن انسان عبور کند، آیا می‌تواند آسیب ایجاد کند یا خیر.
• شرر نشان می‌دهد که برای ایجاد آسیبی مشابه عبور گلوله، سیاه‌چاله باید جرمی حدود جرم یک سیارک داشته باشد و سیاه‌چاله‌های کوچک‌تر معمولاً آسیبی نمی‌زنند.
• محاسبات مربوط به موج شوک و نیروهای کشندی نشان می‌دهد که تنها سیاه‌چاله‌های نسبتاً بزرگ می‌توانند سلول‌ها یا بافت‌ها را تخریب کنند.
• از آنجا که شواهدی از چنین برخوردهایی دیده نشده است و احتمال وقوع آن‌ها نیز حدود ۱۰ به توان منفی ۱۸ در سال است، این نتایج به محدودکردن جرم و فراوانی سیاه‌چاله‌های نخستین به‌عنوان نامزد ماده تاریک کمک می‌کند.

سیاه‌چاله‌ها معمولاً با ستاره‌های عظیم و فروپاشی گرانشی آن‌ها شناخته می‌شوند، اما برخی سیاه‌چاله‌های نخستین فرضی ممکن است در آغاز شکل‌گیری جهان به وجود آمده باشند. مقاله جدیدی به بررسی این موضوع پرداخته است که اگر سیاه‌چاله نخستین بسیار کوچکی از بدن انسان عبور کند، چه پیامدهایی خواهد داشت.

رابرت جی شرِر، استاد فیزیک دانشگاه وندربیلت که پژوهش مورد بحث را انجام داده، تلاش کرده است حداقل اندازه سیاه‌چاله نخستین را که بتواند آسیب جدی به انسان وارد کند یا حتی موجب مرگ او شود، تعیین کند. بررسی این سناریو می‌تواند به دانشمندان کمک کند جست‌وجو برای ماده تاریک را محدود و دقیق‌تر کنند. تصور می‌شود حدود ۲۷ درصد از کل جهان هستی را ماده تاریک تشکیل می‌دهد و هنوز ماهیت دقیق آن به‌طور کامل شناخته نشده است.

در جهان امروز، سیاه‌چاله معمولاً زمانی شکل می‌گیرد که سوخت ستارگان بسیار بزرگ به پایان برسد و زیر فشار گرانش خود فرو بریزند. بنابراین، برای تشکیل سیاه‌چاله ستاره‌ای، باید مقدار زیادی جرم در نقطه بسیار کوچکی جمع شود. برای نمونه، ستاره‌هایی که حدود ۲۰ برابر جرم خورشید دارند می‌توانند سیاه‌چاله‌های ستاره‌ای ایجاد کنند.

بدیهی است که چنین سیاه‌چاله‌هایی نمی‌توانند از بدن انسان عبور کنند، چون انسان‌ها در مقایسه با «۲۰ برابر جرم خورشید» چیزی نیستند! به عبارت دیگر، بدن ما بسیار کوچک است و نمی‌تواند مانعی برای این نوع سیاه‌چاله‌ها باشد. البته اگر کسی به هر دلیلی داخل سیاه‌چاله بیفتد، نتیجه فاجعه‌بار خواهد بود و بدن فرد تحت نیروی گرانش فوق‌العاده قوی سیاه‌چاله، مثل اسپاگتی کش می‌آید و نابود می‌شود.

از سوی دیگر، سیاه‌چاله‌های نخستین انواعی فرضی هستند که گفته می‌شود در چند ثانیه اول شکل‌گیری جهان به وجود آمده‌اند؛ یعنی زمانی که تمام ماده‌ای که بعدها ستاره‌ها و کهکشان‌ها را تشکیل داد، بسیار فشرده و متراکم بود. ناسا توضیح می‌دهد: «در آن لحظات اولیه، بخش‌هایی از ماده داغ ممکن بود آن‌قدر متراکم باشد که سیاه‌چاله شکل بگیرد. جرم این سیاه‌چاله‌ها می‌توانست از صدهزار برابر سبک‌تر از یک گیره کاغذ تا صدهزار برابر سنگین‌تر از خورشید متغیر باشد. سپس با گسترش سریع و خنک‌شدن جهان، شرایط لازم برای شکل‌گیری سیاه‌چاله‌ها به این روش پایان یافت.»

اگر چنین سیاه‌چاله‌هایی شکل گرفته باشند، ممکن است هنوز هم در جهان وجود داشته باشند. برخی پژوهشگران حتی گفته‌اند که سیاه‌چاله‌های اولیه‌ای به کوچکی یک اتم می‌توانند هر روز از زمین عبور کنند بدون اینکه کوچک‌ترین آسیبی به آن برسانند و شاید سیاه‌چاله‌های بزرگ‌تری هم هر هزار سال یک بار چنین عبوری داشته باشد.

تا به امروز هیچ‌یک از این سیاه‌چاله‌های اولیه به طور مستقیم شناسایی نشده‌اند، اما به تازگی گروهی از پژوهشگران کشف احتمالی امواج گرانشی مرتبط با سیاه‌چاله نخستینی را گزارش کرده‌اند که S251112cm نامگذاری شده است. نکتهٔ جالب اینکه در این مطالعه و احتمالاً در بررسی‌های مربوط به ماده تاریک، این نوع سیاه‌چاله‌ها می‌توانند اندازه‌های بسیار متنوعی داشته باشند.

مقاله جدید از پژوهش پیشینی درمورد ماده تاریک ماکروسکوپی یا MACROS، الهام گرفته است؛ این نوع ماده تاریک می‌تواند اندازه‌ای از ذرات بسیار کوچک تا اجسام هم‌اندازه سیارک‌ها داشته باشد. شرر در مقاله خود توضیح داده است: «آن مطالعه نشان می‌دهد برخورد ماده تاریک ماکرو با بدن انسان می‌تواند به اندازه‌ای مخرب باشد که نبود شواهدی از چنین برخوردهایی، به ما اجازه می‌دهد محدودیت‌های مفیدی برای جرم و سطح مقطع این نوع ماده تاریک تعیین کنیم.»

به عبارت ساده، اگر ماده تاریک بزرگ و سنگین می‌بود و به بدن انسان برخورد می‌کرد، حتماً آثارش را می‌دیدیم. از آنجایی که چنین چیزی دیده نشده است، دانشمندان می‌توانند حدس بزنند که این ماده تاریک نه خیلی بزرگ است و نه خیلی سنگین.

شرر در بیانیه‌ای اظهار داشت: «می‌دانستم که می‌توانم برخی از آن محاسبات را برای مطالعه سیاه‌چاله‌های نخستین هم به کار ببرم. مشاهدات اخیر امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌ها و همچنین تصاویر جدید از سیاه‌چاله‌ها، علاقه به موضوع سیاه‌چاله‌ها را دوباره زنده کرده است. علاوه‌بر‌این، به یاد دارم که در دهه ۱۹۷۰ داستانی علمی-تخیلی‌ خوانده بودم که در آن شخصی براثر عبور سیاه‌چاله از بدنش می‌میرد. می‌خواستم ببینم آیا چنین چیزی واقعاً ممکن است یا خیر.»

مقاله شرر دو اثر مختلف را بررسی می‌کند که ممکن است بتوانند به بدن انسان آسیب برسانند. اول، سیاه‌چاله نخستین می‌تواند موج شوک فراصوتی در طول مسیر خود ایجاد کند و بافت‌های بدن را در مسیر تخریب کند. دوم، نیروهای گرانشی کشندی می‌توانند سلول‌های بدن را تخریب و آسیب جدی ایجاد کنند.

شرر حداقل میزان انرژی لازم را برای ایجاد آسیبی مشابه گلوله‌ای که از بدن انسان عبور می‌کند، محاسبه کرد و تخمین زد که جرم سیاه‌چاله باید حدود ۱٫۴×۱۰۱۷ گرم باشد (تقریباً معادل جرم یک سیارک).

بررسی آسیبی که نیروهای کشندی ایجاد می‌کنند کمی جالب‌تر است. اول از همه، منظورمان از نیروهای کشندی چیست؟ همان‌طور که ناسا توضیح می‌دهد: «نیروی کشندی تفاوت در شدت گرانش بین دو نقطه است. میدان گرانشی ماه نیروی کشندی‌ در طول قطر زمین ایجاد می‌کند که باعث تغییر شکل زمین می‌شود. این نیرو همچنین باعث ایجاد جزر و مد چندمتری در زمین جامد و جزر و مد بزرگ‌تر در اقیانوس‌های مایع می‌شود. هرگاه نیروی کشندی از قدرت پیوستگی و انسجام جسمی بیشتر شود، آن جسم متلاشی خواهد شد.»

نیروهای کشندی ایجادشده توسط سیاه‌چاله کوچک تأثیر جالبی بر بدن انسان خواهند داشت. شرر توضیح می‌دهد: «هنگامی که سیاه‌چاله نخستین از بدن انسان عبور می‌کند، نیروهای کشندی قوی در اطراف خود ایجاد می‌کند. این نیروها باعث کشش سلول‌های نزدیک می‌شوند و اگر این نیرو کافی باشد، سلول‌ها پاره خواهند شد. سلول‌هایی که بیشترین حساسیت را به این تخریب دارند، احتمالاً سلول‌های مغز انسان هستند.»

با‌این‌حال، محاسبه اندازهٔ سیاه‌چاله‌ای که بتواند سلول‌های مغز انسان را از هم پاره کند، نشان داد چنین سیاه‌چاله‌ای بزرگ‌تر از قبل خواهد بود: در حدود ۷×۱۰¹⁸ تا ۷×۱۰¹⁹ گرم. موج شوک ایجادشده توسط آن اثر مخرب‌تری نسبت به نیروهای کشندی خواهد داشت.