Μυστηριώδεις, αρχαίες μαύρες τρύπες μπορεί να διαμόρφωσαν το πεπρωμένο του Σύμπαντος από τη γέννησή του. Να πώς

Εκεί έξω ανάμεσα στα αστέρια βρίσκεται ένα κρυμμένο σμήνος από μαύρες τρύπες. Υπάρχουν από την αυγή του χρόνου, αθόρυβα και όχι τόσο διακριτικά επηρεάζοντας την εξέλιξη του Σύμπαντος. Χωρίς αυτά δεν θα υπήρχαν αστέρια, πλανήτες και ζωή για να θαυμάσουμε τα θαύματα του Σύμπαντος. Τώρα, για πρώτη φορά, μπορεί επιτέλους να έχουμε τα εργαλεία για να τα βρούμε.

Οι μαύρες τρύπες είναι ένα από τα πιο διάσημα αντικείμενα της αστρονομίας. Η βαρύτητά τους είναι τόσο ακραία που η διαφυγή είναι αδύνατη αν τολμήσετε πολύ κοντά. Υπάρχουν διαφορετικά μεγέθη μαύρων τρυπών, αλλά συνήθως είναι γιγάντια τέρατα πολύ πιο μαζικά από τον δικό μας Ήλιο.

Συνήθως μένουν κρυμμένα από τα μάτια γιατί δεν μπορεί να ξεφύγει φως για να μας τα αποκαλύψει. Ωστόσο, τα έχουμε δει, χάρη σε ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως το LIGO και το VIRGO που έχουν ανιχνεύσει σήματα από συγκρουόμενες μαύρες τρύπες. Ποτέ δεν ήμασταν πιο σίγουροι ότι υπάρχουν αυτές οι κοσμικές πόρτες.

Ωστόσο, υπάρχει ένας τύπος μαύρης τρύπας που εξακολουθεί να παραμένει θεωρητικός, αυτός που θα μπορούσε να λύσει ένα μακροχρόνιο κοσμολογικό αίνιγμα.

Αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη υπήρξαν μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητα του νέου Σύμπαντος - περιοχές που είχαν ελαφρώς μεγαλύτερη ή μικρότερη μάζα από τον μέσο όρο. Όπου η μάζα ήταν πάνω από τον κανόνα, το υλικό θα μπορούσε να είχε καταρρεύσει για να σχηματίσει μίνι μαύρες τρύπες. Καθώς υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό όσο το ίδιο το Σύμπαν, αυτές οι μαύρες τρύπες ονομάζονται «αρχέγονες» μαύρες τρύπες.

Σύμφωνα με θεωρητικά μοντέλα, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορούν να έχουν μεγάλο εύρος μαζών. Θα μπορούσαν να είναι ελαφρύτερα από μια βλεφαρίδα ή πιο βαριά από ένα αστέρι. Μέχρι στιγμής, καταφέραμε να αποκλείσουμε ορισμένες μάζες μέσω παρατηρήσεων, ανοίγοντας δύο πιθανές περιοχές μάζας ή «παράθυρα» για αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Διαβάστε περισσότερα για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες:

• Η μαύρη τρύπα που ανακαλύφθηκε πρόσφατα θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί "πριν από τα πρώτα αστέρια και γαλαξίες"
• Τα βαρυτικά κύματα δείχνουν σε αρχέγονες μαύρες τρύπες

«Τα δύο παράθυρα είναι μικρότερη από μία σεληνιακή μάζα [μία σεληνιακή μάζα =μάζα της Σελήνης μας] και μερικές δεκάδες ηλιακές μάζες [μία ηλιακή μάζα =μάζα του Ήλιου μας]», λέει ο καθηγητής Sohrab Rahvar, αστροφυσικός και κοσμολόγος από το Sharif. Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας στο Ιράν.

Εάν υπάρχει αυτός ο κρυμμένος πληθυσμός μικροσκοπικών μαύρων τρυπών, τότε θα μπορούσαν να ευθύνονται για μέρος ή όλη τη σκοτεινή ύλη - την αόρατη κόλλα που οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι βοηθά στη συγκράτηση γαλαξιών όπως ο δικός μας Γαλαξίας. Είναι μια ιδέα που δεν ευνοήθηκε, αλλά τώρα κερδίζει ξανά έλξη – ιδιαίτερα καθώς οι παραδοσιακές αντιλήψεις για το από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη συνεχίζουν να δημιουργούν ένα κενό.

Με το ένα μάτι στην αληθινή ταυτότητα της σκοτεινής ύλης, ο διδακτορικός φοιτητής Gabriele Franciolini, από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης, στην Ελβετία, μοντελοποιεί εκ νέου την παραγωγή αρχέγονων μαύρων οπών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη με περισσότερες λεπτομέρειες.

Το αποτέλεσμα; «Θα μπορούσαν να υπάρχουν εκατοντάδες φορές περισσότερες αρχέγονες μαύρες τρύπες εκεί έξω», λέει. «Μπορείς να εξηγήσεις όλη τη σκοτεινή ύλη μέσα από αρχέγονες μαύρες τρύπες». Αυτό συμβαίνει εάν έχουν μια μάζα στο κάτω παράθυρο, κάτω από αυτό της Σελήνης, που θα τους έκανε λιγότερο από το ένα δέκατο του χιλιοστού σε διάμετρο - περίπου το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας.

Σε αυτή την περίπτωση, κάθε αρχέγονη μαύρη τρύπα θα ήταν μικροσκοπική, αλλά μαζί θα μπορούσαν να παρέχουν αρκετή βαρύτητα για να εμποδίσουν έναν γαλαξία να πετάξει μακριά. Εάν γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας μας είναι γεμάτοι από νεανικές μαύρες τρύπες, τότε θα πρέπει να υπάρχουν παντού. Ο Amir Siraj, ένας θεωρητικός αστροφυσικός από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, πιστεύει ότι υπάρχει ακόμη και μια πιθανότητα να κρύβεται στα περίχωρα του Ηλιακού μας Συστήματος.

Υπάρχει μαύρη τρύπα στο ηλιακό μας σύστημα;

Για μια δεκαετία περίπου, οι αστρονόμοι έχουν προβληματιστεί από τις τροχιές μικρών αντικειμένων πέρα ​​από τον Πλούτωνα. Τα μονοπάτια τους γύρω από τον Ήλιο θα πρέπει να είναι αρκετά τυχαία, αλλά φαίνονται οργανωμένα. Είναι σαν κάτι να τους οδηγεί σε παρόμοιες τροχιές. Αλλά τι;

«Είναι πιθανότατα ένας πλανήτης», λέει ο Siraj. Ονομάστηκε Planet Nine, θα ήταν ο πρώτος πλανήτης που ανακαλύφθηκε πρόσφατα από τότε που ο Ποσειδώνας προστέθηκε στο μητρώο το 1846 (ο Πλούτωνας ονομάστηκε πλανήτης μετά την ανακάλυψη το 1930, αλλά αργότερα υποβιβάστηκε σε καθεστώς νάνου πλανήτη το 2006). Ωστόσο, οι εκτεταμένες συνεχείς αναζητήσεις απέτυχαν να βρουν κανένα ορατό σημάδι ενός τέτοιου κόσμου.

«Εάν οι άμεσες αναζητήσεις συνεχίσουν να αποτυγχάνουν, τότε μια αρχέγονη μαύρη τρύπα γίνεται μια επιλογή», ​​λέει ο Siraj. Άλλωστε, όπως είπε περίφημα ο φανταστικός ντετέκτιβ του Άρθουρ Κόναν Ντόιλ, Σέρλοκ Χολμς, μόλις εξαλείψεις το αδύνατο, ό,τι απομένει, όσο απίθανο κι αν είναι, πρέπει να είναι η αλήθεια.

Γνωρίζουμε πόση βαρύτητα χρειαζόμαστε για να υπολογίσουμε τις συσπειρωμένες τροχιές των αντικειμένων πέρα ​​από τον Πλούτωνα. Αν αυτή η βαρύτητα παρέχεται από μια αρχέγονη μαύρη τρύπα, τότε είναι απλώς η διάμετρος ενός γκρέιπφρουτ. Ωστόσο, παρά το μικρό του μέγεθος, θα εξακολουθούσε να είναι περίπου 10 φορές βαρύτερο από τη Γη. Αν αυτό συμβαίνει πραγματικά, τότε δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι τηλεσκοπικές τράτες του εξωτερικού Ηλιακού Συστήματος έχουν μέχρι στιγμής βγει κενές.

Ωστόσο, ο Siraj πιστεύει ότι υπάρχει τρόπος να το δούμε. Είναι μια ιδέα που του ήρθε κατά τη διάρκεια του πρώτου αποκλεισμού λόγω COVID ενώ έμενε στην παιδική του κρεβατοκάμαρα στο σπίτι των γονιών του.

«Η μαύρη τρύπα θα πρέπει να παράγει την περιστασιακή έκλαμψη συσσώρευσης», εξηγεί. Με άλλα λόγια, θα πρέπει να δούμε μια λάμψη εάν το αντικείμενο σε μέγεθος γκρέιπφρουτ καταβροχθίσει έναν διερχόμενο κομήτη. Ένα τέτοιο γεγονός θα απελευθέρωσε λίγο τοις εκατό της ενέργειας των ατομικών βομβών που έπεσαν στην Ιαπωνία στο τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

Η λάμψη μπορεί να είναι έντονη, αλλά συμβαίνει πολύ μακριά στα τέλματα του Ηλιακού Συστήματος. Αυτό κάνει το φως αρκετά εξασθενημένο μέχρι να φτάσει στη Γη. Ωστόσο, υπάρχει ένα νέο τηλεσκόπιο που πρόκειται να κυκλοφορήσει στο διαδίκτυο που θα πρέπει να είναι στο ύψος της δουλειάς. «Οι φωτοβολίδες βρίσκονται ακριβώς στο όριο ανίχνευσης για το Παρατηρητήριο Vera Rubin», λέει ο Siraj. «Είναι το τέλειο εργαλείο για τον αποκλεισμό μιας αρχέγονης μαύρης τρύπας στο εξωτερικό Ηλιακό Σύστημα». Το παρατηρητήριο θα πρέπει να ξεκινήσει τις σωστές παρατηρήσεις προς τα τέλη του 2023.

Εάν αποδειχθεί ότι υπάρχει μια αρχέγονη μαύρη τρύπα, πιθανότατα εισήλθε στο Ηλιακό Σύστημα λόγω του γεγονότος ότι ο Ήλιος μας σέρνει μέσα από το ναρκοπέδιο του Γαλαξία καθώς περιφέρεται γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Για κάποιο λόγο αυτό κόλλησε, αλλά θα μπορούσε μια αρχέγονη μαύρη τρύπα να προχωρήσει περισσότερο και να εισέλθει στο εσωτερικό Ηλιακό Σύστημα; Ο Rahvar σίγουρα το πιστεύει. Έχει υπολογίσει τις πιθανότητες μιας αρχέγονης μαύρης τρύπας να περάσει μέσα από τη Γη κατά τη διάρκεια της ιστορίας των 4,54 δισεκατομμυρίων ετών του πλανήτη μας.

«Η πιθανότητα είναι ένα πέρασμα ανά δισεκατομμύριο χρόνια», λέει. Αν έχει δίκιο, έχουμε χτυπηθεί από μια αρχέγονη μαύρη τρύπα σε τέσσερις διαφορετικές περιπτώσεις. Ο υπολογισμός του Rahvar υποθέτει ότι το 100 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες υποσεληνιακής μάζας. Ακόμα κι αν αποτελούν μόλις το ένα τέταρτο της σκοτεινής ύλης, η Γη έχει συναντήσει ακόμα μια αρχέγονη μαύρη τρύπα μια φορά στο παρελθόν και είναι πιθανό να το κάνει ξανά.

Το να χτυπηθεί ο πλανήτης μας από μια μαύρη τρύπα ακούγεται αποκαλυπτικό, αλλά δεν είναι απαραίτητα. Εξάλλου είμαστε ακόμα εδώ. Το χειρότερο αποτέλεσμα είναι ότι η αρχέγονη μαύρη τρύπα εγκαθίσταται στον πυρήνα της Γης. «Τότε η μαύρη τρύπα αρχίζει να καταπίνει όλη την ύλη της Γης, μεγαλώνει και μετά από ένα πεπερασμένο χρονικό διάστημα η Γη θα καταρρεύσει στη μαύρη τρύπα», εξηγεί ο Rahvar.

Ευτυχώς, οι υπολογισμοί του Rahvar αποκαλύπτουν ότι η πιθανότητα παγίδευσης μιας μαύρης τρύπας μέσα στη Γη είναι σχεδόν μηδενική. Αυτό που είναι πολύ πιο πιθανό είναι ότι η μαύρη τρύπα περνά κατευθείαν μέσα από τον πλανήτη και αναδύεται στην άλλη πλευρά για να συνεχίσει το ταξίδι της στο διάστημα. Εάν, ωστόσο, περάσει από εσάς, τα αποτελέσματα δεν είναι όμορφα.

Πώς μπορούμε να πούμε αν μια μαύρη τρύπα έχει πραγματικά περάσει από τον πλανήτη; «Κατά το πέρασμά του από τη Γη μπορεί να θερμάνει το εσωτερικό του πλανήτη», λέει ο Rahvar. Αυτό θα μπορούσε να εμφανιστεί ως ίχνη τήξης σε βράχους κατά μήκος της ευθείας γραμμής που αντιπροσωπεύει το μονοπάτι της μαύρης τρύπας. Ωστόσο, ο Rahvar προειδοποιεί ότι καθώς αυτό έχει συμβεί το πολύ τέσσερις φορές σε ολόκληρη την ιστορία της Γης, θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να ανακαλύψουμε αυτά τα ίχνη.

Πώς τα βαρυτικά κύματα μπορούσαν να βρουν αρχέγονες μαύρες τρύπες

Πώς αλλιώς θα μπορούσαμε λοιπόν να αποδείξουμε ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες υπάρχουν πραγματικά; Ο Franciolini πιστεύει ότι η απάντηση είναι με τον ίδιο τρόπο που αποδείξαμε ότι υπάρχουν συνηθισμένες μαύρες τρύπες:βαρυτικά κύματα. Τα βαρυτικά κύματα που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά το 2015 είναι κυματισμοί στον ιστό του ίδιου του Σύμπαντος, που προκαλούνται από γεγονότα που συμβαίνουν μέσα σε αυτό.

Τα βαρυτικά κύματα που έχουμε εντοπίσει μέχρι στιγμής προέρχονται από συγκρούσεις μεταξύ συμπαγών αντικειμένων όπως συνηθισμένες μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων. Ή τουλάχιστον αυτή είναι η συμβατική σοφία. Ο Φραντσιολίνι δεν είναι και τόσο σίγουρος. "Ένα σημαντικό κλάσμα των γεγονότων θα μπορούσε να είναι αρχέγονης προέλευσης", λέει.

Τώρα μιλάμε για αρχέγονες μαύρες τρύπες στο παράθυρο της ανώτερης μάζας - αυτές που ζυγίζουν δεκάδες ηλιακές μάζες. Γνωρίζουμε από ένα φαινόμενο που ονομάζεται «βαρυτικός φακός» ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες σε αυτό το εύρος μάζας δεν μπορούν να αποτελούν περισσότερο από το 10 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης. Ο βαρυτικός φακός είναι όπου ένα αντικείμενο στο προσκήνιο (ας πούμε μια μαύρη τρύπα) μεγεθύνει το φως ενός αντικειμένου φόντου (όπως ένα αστέρι). Εάν υπήρχαν πολλές μεγάλες αρχέγονες μαύρες τρύπες τριγύρω, τότε θα βλέπαμε περισσότερα από αυτά τα γεγονότα από εμάς – εξ ου και το ανώτατο όριο του 10 τοις εκατό.

Σύμφωνα με τον Franciolini, εάν οι μεγάλες αρχέγονες μαύρες τρύπες αντιπροσωπεύουν μόλις το 0,1 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης, τότε θα συγχωνεύονταν μεταξύ τους με τον ίδιο ρυθμό όπως οι συνηθισμένες μαύρες τρύπες. Εάν μπορέσαμε να δούμε το δεύτερο, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να έχουμε ήδη δει το πρώτο. Με άλλα λόγια, έχουμε ήδη εντοπίσει δύο μεγάλες αρχέγονες μαύρες τρύπες να συγκρούονται και εσφαλμένα υποθέσαμε ότι ήταν δύο συνηθισμένες μαύρες τρύπες. «Πρέπει να ξεμπερδέψεις τα δύο σενάρια», λέει ο Franciolini. "Αυτή είναι η πρόκληση."

Ένα πρόσφατο συμβάν βαρυτικών κυμάτων είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον:GW190521. Πήρε το όνομά του από το γεγονός ότι ανιχνεύτηκε στις 21 Μαΐου 2019 και η ανακάλυψη ανακοινώθηκε στη συνέχεια τον Σεπτέμβριο του 2020. Αυτή η συγκεκριμένη συγχώνευση δύο μαύρων οπών παρήγαγε μια ενιαία μαύρη τρύπα που κλίνει την κλίμακα σε 140 ηλιακές μάζες. Αυτό είναι αρκετά μεγάλο για να το ταξινομήσετε ως ενδιάμεση μαύρη τρύπα.

Σύμφωνα με τον Franciolini, είναι πιο δύσκολο να εξηγηθεί η ύπαρξη μιας τέτοιας συγχώνευσης τεράτων με συνηθισμένες μαύρες τρύπες. Αυτό ανοίγει την πόρτα στη δυνατότητα μιας αρχέγονης προέλευσης. "Τα δεδομένα υποστηρίζουν την ιδέα ότι υπάρχουν αρχέγονες μαύρες τρύπες", λέει ο Franciolini, "αλλά χρειαζόμαστε περισσότερα δεδομένα και περισσότερη δουλειά από τη θεωρητική πλευρά."

Ίσως να μην χρειαστεί να περιμένουμε πολύ για αυτόν τον κατακλυσμό δεδομένων, καθώς χτίζουμε ήδη το δίκτυο ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων μας. Ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων Kamioka (KAGRA) στην Ιαπωνία θα ενώσει σύντομα τις δυνάμεις του με τα LIGO και VIRGO μετά από κάποιες αποτυχίες λόγω της πανδημίας COVID και του τυφώνα Ida. Σχέδια βρίσκονται σε εξέλιξη για έναν νέο ανιχνευτή LIGO στην Ινδία αργότερα αυτή τη δεκαετία.

Με τέσσερις ανιχνευτές διασκορπισμένους σε όλη την υδρόγειο, οι αστρονόμοι θα μπορούν να εντοπίζουν με ακρίβεια γεγονότα βαρυτικών κυμάτων σε ολόκληρο τον ουρανό. Αυτήν τη στιγμή περιορίζονται μόνο στους μισούς ουρανούς.

Οι νέοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να φέρουν περισσότερα γεγονότα συγχωνεύσεων μαύρης τρύπας με πιο ακριβή δεδομένα. Ερευνητές όπως ο Franciolini είναι πρόθυμοι να διερευνήσουν αυτά τα δεδομένα για τυχόν σημάδια αρχέγονων μαύρων τρυπών. Ίσως τότε θα μάθουμε αν αυτά τα αρχαία, αόρατα λείψανα κατευθύνουν σιωπηλά την εξέλιξη του Σύμπαντος, συνδέοντας τους γαλαξίες μεταξύ τους και θέτοντας το έδαφος για να κατασκευάσουμε αρχικά ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων.

Τι θα συνέβαινε αν χτυπούσατε από μια αρχέγονη μαύρη τρύπα;

Λοιπόν, αρχικά, θα ήσουν ίσως το πιο άτυχο άτομο στην ανθρώπινη ιστορία. Σύμφωνα με τον καθηγητή Sohrab Rahvar, έναν αστροφυσικό και κοσμολόγο από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Σαρίφ στο Ιράν, η Γη έχει χτυπηθεί από το πολύ τέσσερις αρχέγονες μαύρες τρύπες σε όλη της την ύπαρξη 4,54 δισεκατομμυρίων ετών. Είναι σχεδόν αδύνατο να περάσει κανείς από τη Γη κατά τη διάρκεια της ζωής του. Είναι απίθανο να περάσει από τον στενό διάδρομο ενός μέτρου που συμπίπτει με το σημείο που βρίσκεστε.

Τούτου λεχθέντος, βρίσκεστε σε μια δύσκολη περίοδο αν είστε ανόητος της τύχης. Η αρχέγονη μαύρη τρύπα θα βρίσκεται στο σώμα σας μόνο για 10 μικροδευτερόλεπτα, αλλά θα ταξιδεύει με 160 km/s (0,05 τοις εκατό της ταχύτητας του φωτός). Αν και η μαύρη τρύπα είναι μόνο 1.000 φορές ευρύτερη από ένα άτομο, έρχεται με τη διάσημη μάρκα της έντονης βαρύτητας.

Σύμφωνα με τον καθηγητή Avi Loeb, τον αξιότιμο θεωρητικό φυσικό από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, αρκεί να συρρικνωθεί το σώμα σου κατά μερικές ίντσες. Όλα τα εσωτερικά σας όργανα θα παραμορφωθούν καθώς η μαύρη τρύπα παραμορφώνει τον ίδιο τον ιστό του χώρου στον οποίο βρίσκονται. Θα οδηγούσε σε έναν οδυνηρό θάνατο. Ωστόσο, φανταστείτε τον επιτάφιο – «Εδώ βρίσκεται – [βάλτε το όνομά σας] – σκοτώθηκε από μια μαύρη τρύπα».

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τις μαύρες τρύπες:

• Δείτε τι θα μπορούσε να συμβεί αν πέσετε σε μια μαύρη τρύπα
• Μπορεί να υπάρχει ζωή γύρω από μια μαύρη τρύπα;

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 370 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ