Οι αστρονόμοι μόλις ανακάλυψαν τις μαύρες τρύπες από τη Μεγάλη Έκρηξη;
Στα σχεδόν πέντε χρόνια από την πρώτη τους άμεση ανίχνευση, τα βαρυτικά κύματα έχουν γίνει ένα από τα πιο καυτά θέματα στην αστρονομία. Με εγκαταστάσεις όπως το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO), οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει ως επί το πλείστον αυτούς τους κυματισμούς στο χωροχρόνο για να μελετήσουν την εσωτερική λειτουργία της συγχώνευσης μαύρων οπών, αλλά το LIGO έχει επίσης ανιχνεύσει βαρυτικά κύματα από άλλα είδη ουράνιων συντριβών, όπως συγκρούσεις υπερπυκνών αστρικών υπολειμμάτων που ονομάζονται αστέρια νετρονίων. Μερικές φορές, ωστόσο, το LIGO εξυπηρετεί βαρυτικά κύματα που αφήνουν τους αστρονόμους να ξύνουν τα κεφάλια τους—όπως συνέβη με το GW190425, ένα γεγονός που εντοπίστηκε τον περασμένο Απρίλιο και αποδόθηκε πρόσφατα σε συγχώνευση άστρων νετρονίων.
Το πρόβλημα είναι ότι τα δεδομένα του LIGO υποδηλώνουν ότι αυτό το ζεύγος άστρων νετρονίων ήταν σημαντικά υπέρβαρο - συλλογικά, περίπου 3,4 φορές τη μάζα του ήλιου, η οποία είναι μισή ηλιακή μάζα βαρύτερη από τα πιο μαζικά δυαδικά αστέρια νετρονίων που έχουν δει ποτέ. «Είναι το πιο βαρύ γνωστό με αρκετά μεγάλη διαφορά», λέει ο Chad Hanna, αστροφυσικός στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που κυνηγά βαρυτικά κύματα.
Αυτό το επιπλέον βάρος έχει ορισμένους θεωρητικούς να υποψιάζονται ότι το GW190425 δεν προέκυψε από σύγκρουση άστρων νετρονίων, αλλά κάτι πολύ πιο εξωτικό:Μια συγχώνευση δύο αρχέγονων μαύρων οπών (PBH), που δεν έχουν ξαναδεί αντικείμενα που θεωρούνται σκοτεινό άλογο υποψήφιο για σκοτεινή ύλη —το αόρατο, απροσδιόριστο κάτι που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν. Θεωρείται ότι δημιουργήθηκαν από διακυμάνσεις της πυκνότητας στο πολύ πρώιμο σύμπαν, αυτές οι αρχαίες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να υπάρχουν ακόμα σήμερα και θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη διαφορά μάζας που εντοπίστηκε στις πρόσφατες παρατηρήσεις LIGO.
Σχεδόν πριν από μισό αιώνα, ο κοσμολόγος Stephen Hawking πρότεινε ότι οι PBHs θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί πλήρως από περιοχές του βρεφικού σύμπαντος που ήταν ιδιαίτερα πυκνές με ύλη. Από τότε, η δημοτικότητα της ιδέας μεταξύ των αστροφυσικών και των κοσμολόγων έχει αυξηθεί και εξασθενίσει άγρια. Σήμερα, ελλείψει άμεσων αποδεικτικών στοιχείων για την ύπαρξή τους, οι PBHs θεωρούνται από πολλούς ερευνητές ως έσχατη υπόθεση, μόνο που πρέπει να ληφθούν υπόψη όταν κανένα άλλο σενάριο δεν ταιριάζει εύκολα με τις παρατηρήσεις. Ωστόσο, η πιθανότητα ότι οι PBH είναι πραγματικές και διαδεδομένες σε όλο το σύμπαν δεν μπορεί ακόμη να απορριφθεί—ειδικά καθώς οι αναζητήσεις για άλλες υποψήφιες για σκοτεινή ύλη εμφανίζονται κενές.
Τα PBH είναι ελκυστικά υποψήφια για τη σκοτεινή ύλη για διάφορους λόγους, αλλά ο πιο σημαντικός είναι ότι, επειδή είναι μαύρες τρύπες, είναι αρκετά σκοτεινές, αλλά εξακολουθούν να έχουν μεγάλη βαρυτική έλξη. Παρά το γεγονός αυτό, η Hanna λέει ότι εάν τα PBH ήταν αρκετά άφθονα ώστε να εξηγούν όλη τη σκοτεινή ύλη του σύμπαντος, οι αστρονομικές έρευνες που κυνηγούσαν γι 'αυτούς δεν θα έπρεπε να είχαν βγει κενές. Κατά συνέπεια, προσθέτει, οι PBH μπορούν να αποτελούν μόνο ένα μικρό κλάσμα της σκοτεινής ύλης—αν υπάρχουν καθόλου.
Δεν συμφωνούν όλοι. «Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορούν να περιλαμβάνουν ολόκληρη τη σκοτεινή ύλη», λέει ο Juan García-Bellido, ένας θεωρητικός κοσμολόγος στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης. Το κόλπο, προσθέτει, είναι τα αρχαία αντικείμενα να παρουσιάζουν μια σειρά από μάζες και όχι ένα ενιαίο οριστικό μέγεθος. Εάν τα PBH διατρέχουν τη γκάμα από χίλιες φορές μικρότερη μάζα από τον ήλιο έως ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη, θα μπορούσαν να αποτελούν όλα της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. «Όλοι οι δημοσιευμένοι περιορισμοί που ισχυρίζονται ότι αποκλείουν τις αρχέγονες μαύρες τρύπες ως σκοτεινή ύλη υποθέτουν ότι υπάρχουν σε ένα μονόχρωμο ή μονής μάζας φάσμα και είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες στο διάστημα», λέει ο García-Bellido. Για να εμφανιστούν τέτοια μεγάλα εύρη μάζας, τα PBH θα έπρεπε να συγκεντρωθούν σε συμπαγείς ομάδες στις οποίες θα μπορούσαν περιστασιακά να συγκρούονται, να συγχωνεύονται και να μεγαλώνουν.
Επειδή τα PBH θα είχαν δημιουργηθεί λίγο μετά τη μεγάλη έκρηξη, αρχικά θα μπορούσαν να συνδεθούν εύκολα μεταξύ τους. Το πρώιμο σύμπαν ήταν ένα πολύ μικρότερο μέρος από ό,τι είναι σήμερα μετά από δραματική διαστολή για σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, καθιστώντας ευκολότερο για τα αντικείμενα να βρουν άλλα PBH και να ζευγαρώσουν μαζί τους. Καθώς το σύμπαν συνέχιζε να διαστέλλεται και τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες εμφανίστηκαν, ωστόσο, αυτές οι συνδέσεις θα γίνονταν όλο και πιο σπάνιες. Έτσι, ενώ είναι πιθανό το LIGO να έχει παρατηρήσει συγχώνευση PBH, είναι απίθανο, σύμφωνα με την αστρονόμο Κατερίνα Χατζηιωάννου, μέλος της ομάδας LIGO στο Ινστιτούτο Flatiron στη Νέα Υόρκη και συν-συγγραφέας μιας μελέτης που πρόκειται να εμφανιστεί στο Astrophysical Επιστολές Εφημερίδων που συνδέει το GW190425 ως το προϊόν συγκρουόμενων αστέρων νετρονίων.
Τον περασμένο Απρίλιο, ειδοποιήθηκαν για την ανίχνευση του GW190425 από το LIGO, τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο αναζήτησαν ένα αντίστοιχο ηλεκτρομαγνητικό σήμα που θα αναμενόταν συνήθως από την εκρηκτική σύγκρουση δύο άστρων νετρονίων. Αλλά οι ουρανοί παρέμειναν σκοτεινοί, όπως θα συνέβαινε αν ένα ζευγάρι αρχέγονων μαύρων τρυπών είχαν κολλήσει μεταξύ τους. «Δεν θα περιμέναμε ότι θα είχε βγει φως από τη συγχώνευση δύο αρχέγονων μαύρων τρυπών», λέει ο Χατζηιωάννου. Ακόμα κι έτσι, προσθέτει, η έλλειψη φωτός δεν αποκλείει τα αστέρια νετρονίων. Τεράστια αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν να είχαν μια σχετικά ήρεμη συγχώνευση, να καταρρεύσουν απευθείας σε μια μαύρη τρύπα προτού πυροδοτήσουν οποιαδήποτε ουράνια πυροτεχνήματα. Είναι επίσης πιθανό ότι η τοποθεσία του γεγονότος στον ουρανό θα μπορούσε να είναι από κάπου όπου τα τηλεσκόπια που συνδέονταν με τη Γη δεν μπορούσαν να ανιχνεύσουν, όπως σε μια περιοχή πίσω από τον ήλιο. "Υπάρχουν καλοί λόγοι για να το έχασαν αν υπήρχε φως", λέει.
Οι πιο πρόσφατες παρατηρήσεις παρέχουν μόνο δελεαστικές ενδείξεις ότι τα PBH μπορεί να βρίσκονται εκεί έξω, περιστασιακά να ενώνονται στο κοσμικό σκοτάδι. Μια πιο ξεκάθαρη υπογραφή θα προερχόταν από ένα ζευγάρι μαύρες τρύπες στις οποίες η καθεμία ζύγιζε λιγότερο από τον ήλιο. «Αν βρείτε μια μαύρη τρύπα κάτω από μια ηλιακή μάζα, αυτό, τουλάχιστον, προέρχεται από έναν μηχανισμό που κανείς δεν έχει προβλέψει, αστροφυσικά, έξω από μια αρχέγονη μαύρη τρύπα», λέει η Hanna. Ο García-Bellido συμφωνεί. "Το όπλο καπνίσματος θα ήταν η ανακάλυψη μιας μαύρης τρύπας με λιγότερο από μία ηλιακή μάζα - ή μια μαύρη τρύπα με μάζα μεγαλύτερη από 50 [πλάσια του ήλιου]", λέει.
Αν και οι παρατηρήσεις του LIGO θα μπορούσαν να σηματοδοτήσουν την πρώτη ανίχνευση PBH, τόσο ο Χατζηιωάννου όσο και η Χάνα συμφωνούν ότι είναι πιο πιθανό τα βαρυτικά κύματα να προέρχονται απλώς από υπέρβαρα αστέρια νετρονίων. Υπάρχουν ήδη θεωρίες για το σχηματισμό τέτοιων ογκωδών άστρων νετρονίων και δεν απαιτούν εικαστικά σενάρια από την αυγή του σύμπαντος. «Είναι σίγουρα πολύ λιγότερο πιθανό [οι πηγές αυτών των γεγονότων] να είναι αρχέγονες μαύρες τρύπες παρά απλά αστέρια νετρονίων που είναι βαρύτερα από αυτό που βλέπουμε στον γαλαξία», λέει ο Χατζηιωάννου. «Δεν είναι αδύνατο. είναι απλώς λιγότερο πιθανό."
Αν και η Hanna αποκαλεί την υπόθεση για το GW190425 ως μια αρχέγονη δυαδική μαύρη τρύπα «αδύναμη», ο García-Bellido παραμένει πιο αισιόδοξος. "Όλα Τα γεγονότα LIGO θα μπορούσαν να οφείλονται σε αρχέγονες μαύρες τρύπες», λέει. Μόνο ο χρόνος—και περισσότερα δεδομένα—θα δείξει.
