Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να κρύβουν πολλές δυνατότητες
Πριν ακόμη αρχίσουν να σχηματίζονται τα αστέρια και οι γαλαξίες στο πρώιμο Σύμπαν, ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι ο Κόσμος θα μπορούσε να είχε καταληφθεί από ένα πλήθος μικροσκοπικών αρχέγονων μαύρων τρυπών. Αυτές οι καθαρά υποθετικές μαύρες τρύπες θα είχαν σχηματιστεί με ριζικά διαφορετικό τρόπο από τις μεγαλύτερες και πιο γνωστές μαύρες τρύπες που οι φυσικοί, οι κοσμολόγοι και οι αστρονόμοι έχουν επιβεβαιώσει ότι υπάρχουν.
Ενώ οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες σχηματίζονται ως αποτέλεσμα του θανάτου μεγάλων αστεριών, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είχαν γεννηθεί αμέσως μετά τη «Μεγάλη Έκρηξη», όταν περιοχές υψηλής πυκνότητας υπέστησαν βαρυτική κατάρρευση. Παρά το γεγονός ότι είχαν μακρά ιστορία στη θεωρητική φυσική, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είχαν απομακρυνθεί από την εύνοια, δηλαδή μέχρι πρόσφατα.
Τώρα ερευνητές από το Ινστιτούτο Kavli για τη Φυσική και τα Μαθηματικά του Σύμπαντος (Kavli IPMU) — συμπεριλαμβανομένων των μελών Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada και Volodymyr Takhistov — μελετούν την πιθανότητα ύπαρξης τέτοιων αντικειμένων και στα δύο πρώιμα Σύμπαν και στην τρέχουσα εποχή μας.
Η ομάδα πιστεύει ότι η ανακάλυψη αρχέγονων μαύρων τρυπών θα μπορούσε να υποδεικνύει ένα πιθανό πολυσύμπαν, με άλλα «μωρά σύμπαντα» να γεννιούνται παράλληλα με το δικό μας. Αυτό σημαίνει ότι πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων — το σημείο στο οποίο δεν μπορεί να διαφύγει ούτε το φως — από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσε να κρύβεται ένα ολόκληρο σύμπαν, κρυμμένο από τα μάτια.
Τα ευρήματα των επιστημόνων τεκμηριώνονται σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Letters.
Πέρα από την ανακάλυψη αυτών των πρώιμων μαύρων τρυπών, μια τέτοια έρευνα θα μπορούσε να απαντήσει σε ερωτήματα που αφορούν πολλές παρατεταμένες και μυστηριώδεις πτυχές της φυσικής.
Περιεχόμενα
- 1 αρχέγονες μαύρες τρύπες και παρατεταμένα μυστήρια
- 2 Αναζήτηση στο πρώιμο σύμπαν για αρχέγονες μαύρες τρύπες
- 3 Η Hyper Suprime-Cam βλέπει τη μεγάλη εικόνα
- 4 Πρωτότυπη Έρευνα
Πρωτόγονες μαύρες τρύπες και παρατεταμένα μυστήρια
Η ομάδα πιστεύει ότι η ύπαρξη αρχέγονων μαύρων οπών θα μπορούσε να ευθύνεται για μια μικρή ποσότητα των βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύονται στο συμβολόμετρο LIGO/VIRGO. Μέχρι πρόσφατα, αυτό είχε αποκλειστεί καθώς τα υπάρχοντα δυαδικά ζεύγη αρχέγονων μαύρων τρυπών θα πρέπει να οδηγούν σε περισσότερα σήματα βαρυτικών κυμάτων από αυτά που ανιχνεύουμε επί του παρόντος.
Πρόσφατη έρευνα έχει αρχίσει να δείχνει πώς οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να υπάρχουν και να παράγουν ακόμη σήματα βαρυτικών κυμάτων που συμμορφώνονται με τον αριθμό που ανιχνεύθηκε στο LIGO.
Τέτοια αντικείμενα θα μπορούσαν ακόμη και να εξηγήσουν πώς συντίθενται ορισμένα βαριά στοιχεία. Εάν υπάρχουν αρχέγονες μαύρες τρύπες, θα μπορούσαν είτε να συγκρουστούν με αστέρια νετρονίων — εξαφανίζοντάς τα — ή να προσβάλουν τα κέντρα τέτοιων αστρικών υπολειμμάτων και να τα «φάει» από μέσα προς τα έξω. Οποιαδήποτε από αυτές τις διαδικασίες θα οδηγούσε στην απελευθέρωση υλικού πλούσιου σε νετρόνια θα απελευθερωθεί.
Η σύνθεση βαρέων στοιχείων έχει προβληματίσει τους αστροφυσικούς εδώ και αρκετό καιρό, καθώς οι διεργασίες πίσω από αυτήν βασίζονται στην παρουσία μεγάλου αριθμού νετρονίων, πράγμα που σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στην παροχή τέτοιων συνθηκών πλούσιων σε νετρόνια.
Ίσως ακόμη πιο συναρπαστικό από αυτό. Η έρευνα της ομάδας θα μπορούσε να αποκαλύψει εάν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες αποτελούν την πλειονότητα της σκοτεινής ύλης — τη μυστηριώδη ουσία που αποτελεί μεταξύ 80-90% του συνολικού περιεχομένου ύλης του Σύμπαντος.
Η ιδέα ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να ευθύνονται για τη σκοτεινή ύλη — ή τουλάχιστον ένα μέρος της — δεν είναι μια νέα ιδέα. Αλλά, όπως και η συζήτηση αυτών των ίδιων των αντικειμένων, οι θεωρίες που τα συνδέουν με τη σκοτεινή ύλη έχουν επίσης πέσει σε αδυναμία τα τελευταία χρόνια.
Για να ανακαλύψει αρχέγονες μαύρες τρύπες, η ομάδα Kalvi χρησιμοποίησε την Hyper Suprime-Cam (HSC) του τηλεσκοπίου Subaru 8,2 μέτρων, μια γιγαντιαία ψηφιακή κάμερα στην κορυφή του όρους Mauna Kea, στη Χαβάη, για να μελετήσει το πρώιμο Σύμπαν για ενδείξεις. P>
Αναζήτηση στο πρώιμο σύμπαν για αρχέγονες μαύρες τρύπες
Επειδή το πρώιμο Σύμπαν ήταν τόσο πυκνό, θα χρειαζόταν μόνο μια μικρή διακύμανση της πυκνότητας περίπου 50% για να δημιουργηθεί μια μαύρη τρύπα. Αυτό σημαίνει ότι, ενώ οι βαρυτικές διαταραχές που δημιούργησαν τους γαλαξίες ήταν πολύ μικρότερες από αυτό, υπάρχει μια ποικιλία γεγονότων στον πρώιμο κόσμο που θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει την έναρξη ενός τέτοιου γεγονότος γένεσης.
Μια τέτοια διαδικασία θα ήταν η δημιουργία ενός μικρού «κόρη σύμπαντος» που θα διακλαδίζεται από το δικό μας σύμπαν κατά την αρχική περίοδο του ραγδαίου πληθωρισμού. Εάν αυτό το μωρό σύμπαν καταρρεύσει, μια τεράστια ποσότητα ενέργειας θα απελευθερωθεί μέσα στον μικρό όγκο του, δημιουργώντας έτσι μια μικροσκοπική μαύρη τρύπα.
Αυτή η ιδέα της διακλάδωσης των Συμπάντων γίνεται ακόμη πιο περίεργη, ωστόσο, εάν ένα από αυτά τα μωρά-σύμπαν φτάσει και ξεπεράσει κάποιο κρίσιμο μέγεθος. Η γενική σχετικότητα υποδηλώνει ότι αν συνέβαινε αυτό το εν λόγω σύμπαν θα υπήρχε σε μια κατάσταση που φαίνεται διαφορετική από το εσωτερικό από ό,τι από το εξωτερικό.
Ένας παρατηρητής από το μωρό σύμπαν θα το έβλεπε ως ένα διαστελλόμενο σύμπαν, ενώ ένας παρατηρητής εκτός του ορίζοντα γεγονότων θα έβλεπε το σύμπαν του μωρού ως μια μαύρη τρύπα. Αυτό σημαίνει ότι και στις δύο περιπτώσεις, ο ορίζοντας γεγονότων της αρχέγονης μαύρης τρύπας κρύβει την εσωτερική της δομή — και ένα ολόκληρο σύμπαν.
Το έγγραφο της ομάδας επισημαίνει ένα σενάριο στο οποίο οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δημιουργούνται από αυτή τη δημιουργία πυρήνων αυτού που ονομάζουν «ψευδείς φυσαλίδες κενού». να πάρει ένα εξαιρετικά ισχυρό όργανο για να δει το Σύμπαν με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να εντοπιστούν αυτά τα πολυσύμπανα αντικείμενα που καμουφλάρουν.
Ευτυχώς το HSC ταιριάζει.
Η Hyper Suprime-Cam βλέπει τη μεγάλη εικόνα
Όπως περιγράφουν οι συντάκτες της εργασίας, χάρη στη μοναδική του ικανότητα να απεικονίζει ολόκληρο τον γαλαξία της Ανδρομέδας κάθε λίγα λεπτά, το HSC θα μπορούσε να είναι το ιδανικό όργανο για τη σύλληψη αρχέγονων μαύρων τρυπών. Αυτή η απεικόνιση μπορεί να επιτευχθεί με τη βοήθεια βαρυτικού φακού, την καμπυλότητα του φωτός από ένα αντικείμενο μεγάλης μάζας.
Καθώς μια αρχέγονη μαύρη τρύπα περνά τη γραμμή όρασης σε ένα φωτεινό αντικείμενο όπως ένα αστέρι, η καμπυλότητα που προκαλεί στον χωροχρόνο έχει ως αποτέλεσμα μια στιγμιαία λάμψη του αντικειμένου ή μια φαινομενική μετατόπιση θέσης.
Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο πιο ακραία είναι η καμπυλότητα και επομένως τόσο ισχυρότερο είναι το αποτέλεσμα που σημαίνει ότι οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν τη μάζα του αντικειμένου φακού. Ωστόσο, αυτό το εφέ διαρκεί μόνο ένα εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα.
Επειδή το HSC μπορεί να δει ολόκληρο τον γαλαξία, μπορεί ταυτόχρονα να παρατηρήσει έως και εκατό εκατομμύρια αστέρια — δίνοντας στους αστρονόμους μια καλή ευκαιρία να πιάσουν μια διερχόμενη αρχέγονη μαύρη τρύπα.
Η ομάδα έχει ήδη εντοπίσει έναν πρωταρχικό υποψήφιο για ένα «πολύσύμπαν» που κρύβει μια αρχέγονη μαύρη τρύπα στην πρώτη σειρά παρατηρήσεων HSC. Το αντικείμενο είχε μια μάζα γύρω από αυτή της Σελήνης και ενέπνευσε την ομάδα να διεξαγάγει περαιτέρω παρατηρήσεις, διευρύνοντας έτσι την αναζήτησή της και πιθανώς να βρει μια λύση σε μερικά από τα πιο πιεστικά μυστήρια της φυσικής.
Αρχική έρευνα
Κουσένκο. Α., Σασάκι. Μ., Σουγκιγιάμα. S., et al, [2021], ‘Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes’, Physical Review Letters, [https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.181304]
