Χαρακτηρίζοντας το προτιμώμενο εύρος μάζας για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες και τη σκοτεινή ύλη
Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2017 απονεμήθηκε στους Kip Thorne, Rainer Weiss και Barry Barish, «για την καθοριστική συμβολή στον ανιχνευτή LIGO και την παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων». Η ανακάλυψη LIGO εγκαινίασε μια νέα εποχή της αστρονομίας των βαρυτικών κυμάτων.
Τα γεγονότα που παράγουν τα βαρυτικά κύματα συνάδουν με την έμπνευση δύο μαύρων οπών, που άρχισαν να συνενώνονται και κατά τη συγχώνευση οδήγησαν σε σήματα βαρυτικών κυμάτων που ανιχνεύθηκαν από το LIGO. Μέχρι στιγμής όλες οι παρατηρήσεις του LIGO (πολλά συμβάντα) έχουν προτείνει ότι οι μάζες αυτών των μαύρων τρυπών που συγκρούονται είναι περίπου 30 φορές τη μάζα του Ήλιου. Αυτό μπορεί να αντιπαραβληθεί με τη μάζα του Sgr A* (της μαύρης τρύπας στο κέντρο του γαλαξία μας), που είναι σχεδόν 4 εκατομμύρια φορές η μάζα του Ήλιου. Οι μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι ζουν στο κέντρο των περισσότερων σπειροειδών γαλαξιών, όπως ο Γαλαξίας μας, αλλά η προέλευση τέτοιων ελαφρύτερων μαύρων οπών –όπως αυτές που ανιχνεύθηκαν από το LIGO– θα μπορούσε να αποτελέσει πρόκληση για τους αστροφυσικούς και τους κοσμολόγους να εξηγήσουν.
Ένα άλλο εξαιρετικό παζλ είναι η αρχέγονη προέλευση και η φύση της σκοτεινής ύλης. Συγκεκριμένα, είτε αποτελείται από θεμελιώδη σωματίδια, είτε ίσως είναι εντελώς διαφορετικής και απροσδόκητης φύσης. Τα στοιχεία παρατήρησης για τη σκοτεινή ύλη συνάγονται έμμεσα. Δεν απαιτείται μόνο για να ληφθούν υπόψη οι τροχιές μακρινών αστεριών εντός του γαλαξία μας, αλλά και ως κυρίαρχο συστατικό του αρχέγονου ρευστού στο πρώιμο σύμπαν. Δηλαδή, χωρίς την πλειοψηφία της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν, οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών δεν θα εξελίσσονταν για να σχηματίσουν τον τρόπο που τα βλέπουμε μέσα από τα τηλεσκόπια μας σήμερα. Λοιπόν, τι είναι η κοσμολογική σκοτεινή ύλη;
Οι πρόσφατες παρατηρήσεις του LIGO δεν είναι μόνο ενδιαφέρουσες επειδή μας δίνουν παρατηρητικές αποδείξεις για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, αλλά και επειδή προτείνουν μια άλλη ενδιαφέρουσα πιθανότητα - ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι ολόκληρη ή μέρος της κοσμολογικής σκοτεινής ύλης. Οι μαύρες τρύπες απορρίφθηκαν κάποτε ως το μόνο συστατικό της σκοτεινής ύλης, λόγω ενός αριθμού παρατηρητικών περιορισμών όταν λαμβάνεται υπόψη ένα ευρύ φάσμα μαζών μαύρων τρυπών.
Για παράδειγμα, ισχυροί περιορισμοί σε ορισμένες μάζες μαύρων τρυπών προκύπτουν από τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνουν το φάσμα του μαύρου σώματος του κοσμικού μικροκυματικού φόντου (το υπολειπόμενο φως της Μεγάλης Έκρηξης). Ωστόσο, η ειδική μάζα των 30 ηλιακών μαζών (όπως ανιχνεύεται από το LIGO) βρίσκεται σε ένα ειδικό εύρος όπου δεν υπάρχουν περιορισμοί παρατήρησης. Θα μπορούσαν αυτές οι μαύρες τρύπες να είναι η σκοτεινή ύλη, και αν ναι, γιατί αυτή η μάζα ευνοείται από όλες τις άλλες;
Τέλος, ένα άλλο παζλ του πρώιμου σύμπαντος είναι – Πώς εξελίχθηκε το σύμπαν πριν από τη δημιουργία των ελαφρύτερων στοιχείων (τη λεγόμενη Πυρηνοσύνθεση του Big Bang); Πότε το σύμπαν θερμανίστηκε στη ζεστή σούπα που χρειαζόταν για να σχηματιστούν αυτά τα ελαφριά στοιχεία; Πιστεύεται ότι κατά τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου το σύμπαν υπέστη μια περίοδο απίστευτα γρήγορης επιτάχυνσης - μια περίοδο γνωστή ως κοσμικός πληθωρισμός. Αν και υπάρχουν ισχυρές παρατηρητικές αποδείξεις για τον πληθωρισμό, δεν έχει τεκμηριωθεί τι ακολούθησε τον πληθωρισμό και πώς οδήγησε στο σύμπαν σήμερα.
Η θεμελιώδης θεωρία (κυρίως η θεωρία χορδών) προτείνει ότι κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης από το τέλος του πληθωρισμού στο καυτό, θερμικό σύμπαν, το σύμπαν μπορεί να ήταν κατά κύριο λόγο γεμάτο με ένα ρευστό παρόμοιο με το μποζόνιο Higgs που ανακαλύφθηκε πρόσφατα. Εάν αυτή η εικόνα είναι ακριβής, οι ταλαντώσεις αυτών των πεδίων θα είχαν οδηγήσει σε συνθήκες στο πρώιμο σύμπαν όπου ήταν πολύ πιο ευνοϊκό να σχηματιστούν μαύρες τρύπες. Ωστόσο, αργότερα αυτά τα πεδία διασπώνται παράγοντας μεγάλες ποσότητες ακτινοβολίας με τη μορφή σωματιδίων Καθιερωμένου Μοντέλου και στη συνέχεια σχηματίζονται τα ελαφρύτερα άτομα. Η παραγωγή αυτής της ακτινοβολίας αραιώνει τις νωρίς σχηματισμένες, τις λεγόμενες «αρχέγονες» μαύρες τρύπες. Ωστόσο, το βασικό εύρημα αυτής της πρόσφατης έρευνας είναι ότι οι τελευταίες μαύρες τρύπες που θα σχηματιστούν θα υποστούν τη μικρότερη αραίωση.
Αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι όταν κάποιος ρωτά ποιες είναι οι μάζες αυτών των μαύρων τρυπών που επιβίωσαν, διαπιστώνει ότι η μάζα τους είναι γύρω στις 30 ηλιακές μάζες – ακριβώς η μάζα που απαιτείται για την ερμηνεία της σκοτεινής ύλης του αποτελέσματος LIGO. Αυτό υποδηλώνει την ιδέα ότι αυτές οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι ολόκληρη ή μέρος της σκοτεινής ύλης και ότι η ανίχνευση LIGO μπορεί όχι μόνο να είναι η πρώτη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, αλλά και η πρώτη ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. Αν αυτές οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι το κύριο ή το μοναδικό συστατικό της σκοτεινής ύλης, παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα. Αλλά αυτά τα αρχικά αποτελέσματα υποδηλώνουν την ενδιαφέρουσα πιθανότητα ότι με αυτήν τη συγκεκριμένη μάζα μαύρων οπών, η σκοτεινή ύλη είναι πιο κοντά στο να γίνει κατανοητή.
Αυτή η μελέτη, Προτιμώμενο εύρος μάζας για τον σχηματισμό αρχέγονων μαύρων οπών και τις μαύρες τρύπες καθώς επανεξετάζεται η σκοτεινή ύλη, δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of High Energy Physics.
