Ghost stars:Η ριζική θεωρία που θα μπορούσε να λύσει το μυστήριο της σκοτεινής ύλης

Κοιτάξτε ψηλά στον ουρανό μετά τη δύση του ηλίου και το γνωστό πάπλωμα της νύχτας είναι διάτρητο με φωτεινά αστέρια. Αυτοί οι φλεγόμενοι κλίβανοι είναι τόσο ζωντανοί που μπορούμε να δούμε το φως τους, παρά το γεγονός ότι ακόμη και οι πιο κοντινοί βρίσκονται σε απόσταση τετράδας χιλιομέτρων.

Είναι ένα θέαμα που οι περισσότεροι από εμάς έχουμε δει σε αμέτρητες περιπτώσεις, οπότε θα σας συγχωρούσαν που πιστεύατε ότι όλα τα αστέρια πρέπει να συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Τελικά, δεν λάμπει αυτό που κάνει ένα αστέρι;

Ωστόσο, εάν πρέπει να πιστέψουμε μια αναταραχή πρόσφατων ευρημάτων, υπάρχει μια εντελώς διαφορετική κατηγορία αστεριών που κρύβονται εκεί έξω - αστρικά φαντάσματα καλυμμένα κάτω από ένα πέπλο σκότους. Αυτά τα διάφανα, αόρατα αστέρια δεν εκπέμπουν καθόλου φως, πράγμα που σημαίνει ότι βουρκώνουν αόρατα στις ουράνιες σκιές.

Οι αστρονόμοι ήδη υποψιάζονται ότι, σε αντίθεση με τα συνηθισμένα αστέρια, το μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος είναι κρυμμένο από τα μάτια. Όταν κοιτάζουν γαλαξίες, όπως ο δικός μας Γαλαξίας, βρίσκουν αστέρια στα εξωτερικά άκρα να κινούνται πολύ γρήγορα. Τόσο γρήγορα, στην πραγματικότητα, που θα έπρεπε να πετάξουν στο διάστημα.

Για να διατηρηθούν στη ρυμούλκηση, πρέπει να υπάρχει κάτι που τους χαλιναγωγεί. Η πιο δημοφιλής εξήγηση είναι ότι υπάρχει πολύ κρυμμένο υλικό στον Γαλαξία που παρέχει σημαντική ποσότητα επιπλέον βαρύτητας. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτό το υλικό «σκοτεινή ύλη» και πιστεύεται ότι υπερτερεί αριθμητικά της συνηθισμένης ύλης από την οποία αποτελούμαστε εσείς και εγώ σε αναλογία μεγαλύτερη από πέντε προς ένα.

Η ετυμηγορία της πλειοψηφίας τις τελευταίες δύο δεκαετίες ήταν ότι αυτή η ουράνια κόλλα είναι φτιαγμένη από ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια (WIMPs). Αυτό είχε οδηγήσει τους φυσικούς σε ένα άνευ προηγουμένου έντονο κυνήγι για να τους παγιδεύσουν. Έχουν κατασκευάσει ανιχνευτές κάτω από τον πάγο στην Ανταρκτική, σε εγκαταλελειμμένα ορυχεία χρυσού και ακόμη και στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό.

Μέχρι στιγμής όλες οι αναζητήσεις τους έχουν βγει κενές. Είναι κάπως ειρωνικό, λοιπόν, ότι ένας από τους ανιχνευτές WIMP μας μπορεί να έχει μόλις βρει στοιχεία υπέρ μιας αντίπαλης θεωρίας της σκοτεινής ύλης – μιας θεωρίας που ανοίγει την πόρτα στην πιθανότητα αόρατων αστεριών.

Διαβάστε περισσότερα για τη σκοτεινή ύλη:

• Τι είναι η σκοτεινή ύλη;
• Αναζητώντας απεγνωσμένα τη σκοτεινή ύλη:η αναζήτηση για το 95 τοις εκατό του Σύμπαντος
• Θα μπορούσε η «σκοτεινή ύλη» να είναι απλώς νεκρά αστέρια και πλανήτες που επιπλέουν στα βάθη του διαστήματος;

Σκοτεινά μποζόνια

Το πείραμα XENON1T βρίσκεται κρυμμένο 3.600 μέτρα κάτω από το βουνό Gran Sasso στην Ιταλία και είναι η μεγαλύτερη υπόγεια ερευνητική εγκατάσταση στον κόσμο. Μια τεράστια δεξαμενή που περιέχει πάνω από τρεις τόνους υγρού ξένου σχεδιάστηκε για να λειτουργεί ως παγίδα WIMP – εάν ένα WIMP χτυπήσει ένα άτομο στη δεξαμενή, τότε το άτομο θα ανατραπεί και θα φτύσει ηλεκτρόνια και φωτόνια (σωματίδια φωτός).

Ωστόσο, το καλοκαίρι του 2020, οι ερευνητές του XENON1T ανακοίνωσαν ότι είχαν δει κάτι απροσδόκητο:μια περίσσεια ηλεκτρονίων που δεν ταίριαζε με μια εισροή WIMP. Σύμφωνα με τον Δρ Tongyan Lin, από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, υπάρχουν τρεις πιθανές εξηγήσεις.

Οι δύο πρώτες εξηγήσεις είναι σωματίδια από τον Ήλιο, ή ραδιενεργοί ρύποι στο πείραμα. Το τρίτο, και μακράν το πιο ενδιαφέρον, είναι η άφιξη μιας άλλης προτεινόμενης μορφής σκοτεινής ύλης:τα σκοτεινά μποζόνια.

Το μποζόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο που φέρει μια δύναμη. Το φωτόνιο, για παράδειγμα, είναι ένα μποζόνιο που φέρει την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Ένα σκοτεινό μποζόνιο, όπως λέει η θεωρία, θα μπορούσε είτε να είναι η ίδια η σκοτεινή ύλη είτε τουλάχιστον να είναι υπεύθυνο για τον τρόπο με τον οποίο η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη. Εάν το σήμα XENON1T αντέχει σε περαιτέρω έλεγχο – και μπορούν να αποκλειστούν οι άλλες πιο εγκόσμιες εξηγήσεις – θα μπορούσε να είναι το πρώτο σημάδι ότι τα σκοτεινά μποζόνια υπάρχουν πράγματι εκεί έξω.

Ένας άλλος δελεαστικός υπαινιγμός ακολούθησε τον Σεπτέμβριο του 2020, λίγους μήνες μετά την ανακοίνωση του XENON1T. Δύο ομάδες φυσικών – η μία στην Ευρώπη και η άλλη στις ΗΠΑ – χρησιμοποίησαν λέιζερ για να περιορίσουν τα άτομα σε μια επιτραπέζια παγίδα. Όπως όλα τα άτομα, περιείχαν ηλεκτρόνια που σφυρίζουν γύρω από έναν κεντρικό πυρήνα σε τροχιές γνωστές ως ενεργειακά επίπεδα.

Ο Δρ Michael Drewsen, από το Πανεπιστήμιο Aarhus στη Δανία, είναι μέλος της ευρωπαϊκής ομάδας. Λέει ότι η παρουσία ενός σκοτεινού μποζονίου θα δημιουργούσε μια δύναμη που διαταράσσει το άτομο. «Θα βλέπαμε μια μικρή μετατόπιση στο ενεργειακό επίπεδο του ηλεκτρονίου», λέει.

Ενώ η ομάδα του δεν βρήκε μια τέτοια αλλαγή, οι συνάδελφοί του στις ΗΠΑ το έκαναν. Όπως πάντα, οι επιστήμονες είναι πολύ προσεκτικοί και δεν είναι σε θέση να καταλήξουν αμέσως στο συμπέρασμα ότι ένα σκοτεινό μποζόνιο φταίει πραγματικά.

«Θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι χρησιμοποιούσαν ένα βαρύτερο άτομο», λέει ο Drewsen. Η ευρωπαϊκή ομάδα παγίδευσε ασβέστιο, ενώ η αμερικανική ομάδα υττέρβιο. Ωστόσο, τα ευρήματά τους, σε συνδυασμό με αυτά από το XENON1T, είναι μια βολή στο χέρι για όσους υποστηρίζουν ότι τα σκοτεινά μποζόνια είναι αληθινά. Τα περιστασιακά στοιχεία σίγουρα αυξάνονται.

Οι αστρονόμοι ενισχύουν ακόμη περισσότερο την υπόθεση. Εάν τα σκοτεινά μποζόνια επηρεάζονται από τη βαρύτητα, τότε θα πρέπει επίσης να συσσωρεύονται μεταξύ τους με τον ίδιο τρόπο που κάνει η συνηθισμένη ύλη. «Θα αυτοέλκονταν σε αστέρια μποζονίων», λέει ο Hector Olivares, από το Πανεπιστήμιο Radboud στην Ολλανδία.

Αυτά τα άστρα θα ήταν πολύ διαφορετικά από εκείνα που βρίσκονται σε αστερισμούς στον νυχτερινό ουρανό. Για αρχή, χωρίς πυρηνική σύντηξη στους πυρήνες τους, δεν θα παρήγαγαν φως. Θα ήταν επίσης διαφανείς. "Οτιδήποτε τους πλησίαζε θα περνούσε κατευθείαν", λέει ο Olivares.

Η έλλειψη οποιασδήποτε μη βαρυτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής ύλης σημαίνει ότι θα ήταν σαν ένα φάντασμα που παρασύρεται μέσα από έναν τοίχο. Εξάλλου, ο μόνος λόγος που δεν πέφτετε μέσα από μια καρέκλα είναι η απωστική ηλεκτρομαγνητική δύναμη μεταξύ των ηλεκτρονίων στο κάτω μέρος σας και εκείνων στο κάθισμα.

Σύμφωνα με τον Olivares, ένα αστέρι μποζονίου θα μπορούσε ενδεχομένως να μεγαλώσει τόσο μεγάλο όσο οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBHs) που πιστεύεται ότι βρίσκονται στην καρδιά κάθε μεγάλου γαλαξία. Στην πραγματικότητα, υποψιάζεται ότι μπορεί να είναι δυνατό για ένα γιγάντιο αστέρι μποζονίου να μας ξεγελάσει αρχικά και να πιστεύουμε ότι είναι SMBH. «Και τα δύο δεν έχουν στερεή επιφάνεια», λέει, αναφερόμενος στο γεγονός ότι μια μαύρη τρύπα είναι μια κοσμική καταπακτή με ένα σημείο χωρίς επιστροφή, γνωστό ως ορίζοντας γεγονότων.

Μαύρες τρύπες και σκοτεινά αστέρια μποζονίων

Ο Olivares διεξήγαγε πρόσφατα τις πρώτες προσομοιώσεις υλικού που πέφτει προς ένα αστέρι μποζονίου που μοιάζει με μαύρη τρύπα. «Ανακαλύψαμε ότι διακρίνονται από τις μαύρες τρύπες», λέει. Αυτό συμβαίνει επειδή τους λείπει μια σκιά.

Το 2019 οι αστρονόμοι κυκλοφόρησαν την πρώτη εικόνα μιας μαύρης τρύπας, συμπεριλαμβανομένης μιας σκοτεινής περιοχής - μιας σκιάς - που αποδόθηκε από το φως που έλειπε που κατάπιε η μαύρη τρύπα. Ενώ ένα αστέρι μποζονίου δεν έχει σκιά - το υλικό περνά κατευθείαν αντί να καταπίνεται - μερικές φορές έχει ένα χαρακτηριστικό που κάνει καλή δουλειά στο να το υποδύεται. Ο Olivares το αποκαλεί ψευδοσκιά.

«Στις περισσότερες περιπτώσεις δεν βλέπουμε μια ψευδοσκιά και όταν βλέπουμε είναι μικρότερη από τη σκιά μιας μαύρης τρύπας», λέει. Θα μπορούσαμε σύντομα να το χρησιμοποιήσουμε ως δοκιμή για να δούμε αν το SMBH στο κέντρο του Γαλαξία μας είναι στην πραγματικότητα ένα γιγάντιο αστέρι μποζονίου. «Είναι κάτι που μπορεί να διακριθεί χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Event Horizon [το οποίο ήταν το ίδιο όργανο που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη της πρώτης φωτογραφίας μαύρης τρύπας]», λέει ο Olivares. Αυτή η εργασία βρίσκεται σε εξέλιξη.

Ενώ περιμένουμε υπομονετικά αυτό το αποτέλεσμα, ο Δρ Juan Calderón Bustillo από το Πανεπιστήμιο του Santiago de Compostela στην Ισπανία μπορεί να έχει ήδη βρει δύο αστέρια μποζονίων που μεταμφιέζονται σε μαύρες τρύπες. Οι καταστροφικές ουράνιες συγκρούσεις δημιουργούν κυματισμούς – βαρυτικά κύματα – που διασχίζουν το Σύμπαν και φτάνουν στη Γη.

Παραλήφθηκαν για πρώτη φορά το 2015 χρησιμοποιώντας το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO) στις ΗΠΑ. Η πλειονότητα των γεγονότων που έχουμε δει μέχρι στιγμής ήταν δυαδικές μαύρες τρύπες – δύο βαρυτικά τέρατα που περιφέρονται το ένα γύρω από το άλλο πριν πέσουν στη λήθη.

Συνήθως, υπάρχουν τρία διακριτά στάδια σε μια τέτοια σύγκρουση – η εσωτερική σπείρα, η συγχώνευση και μετά η νέα μεγάλη μαύρη τρύπα που δημιουργεί. Αλλά, σύμφωνα με τον Bustillo, ένα συγκεκριμένο συμβάν εμφανίζεται ως περίεργο:GW190521. «Δεν βλέπουμε αυτό το πρώτο εσωστρεφόμενο στάδιο», λέει. "Θα μπορούσε να είναι μια μετωπική σύγκρουση."

Οι υπόλοιπες συγχωνεύσεις μαύρων οπών που έχουμε δει μέχρι στιγμής προέρχονται από δύο μαύρες τρύπες που ήδη περιφέρονται η μία γύρω από την άλλη. Ωστόσο, εάν δύο μαύρες τρύπες που δεν είχαν συνδεθεί προηγουμένως συντρίβονταν μεταξύ τους, αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει την έλλειψη ενός εσωσπειρωτού σταδίου πριν από τη σύγκρουση. Έτσι ο Bustillo έκανε τα μαθηματικά, αλλά αυτή η εξήγηση δεν ευοδώθηκε.

«Το σήμα του βαρυτικού κύματος διαρκεί περισσότερο από όσο θα περίμενε κανείς», λέει. Η προκύπτουσα μαύρη τρύπα περιστρέφεται επίσης πιο γρήγορα από ό,τι θα έπρεπε – μια μετωπική σύγκρουση δεν θα παρείχε την ίδια περιστροφική ώθηση με ένα ζευγάρι μαύρων τρυπών που ήδη περιστρέφονται η μία γύρω από την άλλη. «Έτσι η πύλη είναι ανοιχτή για άλλες εξηγήσεις», προσθέτει.

Ο Μπουστίλο αναρωτήθηκε αν μια μετωπική σύγκρουση μεταξύ δύο αστεριών μποζονίων θα μπορούσε να ταιριάζει. Αποδεικνύεται ότι μπορούν. Σύμφωνα με την έρευνά του, υπάρχει ένα επιπλέον στάδιο στη διαδικασία για τη σύγκρουση των αστέρων μποζονίων, σε σύγκριση με τις συγκρουόμενες μαύρες τρύπες. Το μεγάλο αστέρι μποζονίου που δημιουργήθηκε από τα δύο συγκρουόμενα αστέρια ταλαντώνεται για λίγο πριν γίνει μαύρη τρύπα.

Αυτό το επιπλέον στάδιο ταλάντωσης θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σήμα διήρκεσε περισσότερο από όσο θα περίμενε κανείς για δύο συγκρουόμενες μαύρες τρύπες. Ο Bustillo ήταν επίσης σε θέση να χρησιμοποιήσει τα δεδομένα της σύγκρουσης για να υπολογίσει τη μάζα των μποζονίων που αποτελούν τα αστέρια. «Η τιμή είναι γύρω από τους τρέχοντες περιορισμούς από άλλες μετρήσεις», λέει. Με άλλα λόγια, ταιριάζει με τις υπάρχουσες ιδέες μας για τη σκοτεινή ύλη.

Το πραγματικό clincher θα έρθει καθώς βλέπουμε περισσότερα βαρυτικά κύματα από συγκρούσεις χωρίς ένα αρχικό στάδιο εντός σπειρών. «Περιμένω από τους ανιχνευτές να δουν περισσότερα σήματα σαν αυτό», λέει ο Bustillo. Εάν μπορούν επίσης να εξηγηθούν με σύγκρουση αστεριών μποζονίων και κάθε ανεξάρτητο γεγονός δίνει σταθερά την ίδια μάζα για τα σκοτεινά μποζόνια, τότε θα γίνει πιο δύσκολο να αγνοήσουμε την πιθανότητα να υπάρχουν διάφανα αστέρια εκεί έξω.

Δύο επερχόμενα πειράματα θα μπορούσαν σύντομα να ενταχθούν στη μάχη και να μας βοηθήσουν να στηρίξουμε περαιτέρω την υπόθεση, σύμφωνα με τον Δρ Costantino Pacilio από το Πανεπιστήμιο Sapienza της Ρώμης. Το πρώτο είναι το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν, ένας προτεινόμενος ευρωπαϊκός επίγειος ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων. Το δεύτερο είναι το Laser Interferometer Space Antenna (LISA), ένα τρίο διαστημικών σκαφών που θα πετούν σε σχηματισμό χωριστά το ένα από το άλλο κατά 2,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα.

«Θα έχουν και τα δύο υψηλότερη ευαισθησία από το LIGO, που σημαίνει ότι θα έχουμε μια πιο ακριβή και λεπτομερή ματιά στο σχήμα των βαρυτικών κυμάτων», λέει ο Pacilio. Αυτό είναι κρίσιμο, γιατί κάθε αντικείμενο που συγκρούεται αποτυπώνει τα χαρακτηριστικά του στο σχήμα των κυμάτων.

Ειδικότερα, ο τρόπος με τον οποίο τα δύο συγκρουόμενα αντικείμενα παραμορφώνονται μεταξύ τους με τη βαρύτητα τους παρέχει μια μοναδική υπογραφή. «Τα αστέρια μποζονίων είναι εξωτικά αντικείμενα», λέει ο Pacilio. "Αλληλεπιδρούν μόνο βαρυτικά με το Σύμπαν, επομένως αυτός είναι ο μόνος τρόπος που μπορούν να φανούν."

Όταν εφεύραμε το τηλεσκόπιο, ήταν για να έχουμε καλύτερη εικόνα των πραγμάτων που μπορούσαμε ήδη να δούμε. Αλλά τώρα, αιώνες αργότερα, γίνεται ολοένα και πιο εμφανές ότι στο Σύμπαν υπάρχουν πολλά περισσότερα από όσα φαίνονται στο μάτι. Ίσως είναι καιρός να ανατρέψουμε τις ιδέες μας για τα αστέρια και να αποδεχτούμε το γεγονός ότι θα μπορούσαν να υπάρχουν εξίσου πολλά αόρατα αστέρια που σέρνονται στο Σύμπαν σε μεγάλο βαθμό αόρατα.

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 360 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ