Το μαύρο πρόβατο των μαύρων τρυπών
Ο Ινδο-Αμερικανός αστροφυσικός Subrahmanyan Chandrasekhar παρατήρησε κάποτε ότι οι μαύρες τρύπες, περιοχές του χωροχρόνου των οποίων το βαρυτικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό που ούτε το φως μπορεί να ξεφύγει από τα νύχια του, είναι τα απλούστερα, πιο τέλεια μακροσκοπικά αντικείμενα στο σύμπαν. Ωστόσο, αυτή η απλότητα δεν εμπόδισε το σύμπαν να κατοικηθεί με έναν πραγματικό ζωολογικό κήπο με μαύρες τρύπες. Φαίνεται να κυμαίνονται σε μάζα από μερικές φορές έως πολλές δισεκατομμύρια φορές πιο μαζική από τον ήλιο.
Οι μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, αυτές που σχηματίζονται από αστέρια που καταρρέουν, πιστεύεται ότι είναι οι πιο άφθονες. Περιστασιακά παγιδεύονται ο ένας στη βαρυτική έλξη του άλλου και συγχωνεύονται σε μια διαδικασία θεαματικής κοσμικής βίας. Ήταν μέσω μιας τέτοιας «δυαδικής συγχώνευσης», περίπου ενάμισι δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά, που η ανθρωπότητα κατάφερε για πρώτη φορά να συντονιστεί στα βαρυτικά κύματα, τον ελαστικό κυματισμό του χωροχρόνου που εκπέμπει την ενέργεια που απελευθερώνεται από τη συγχώνευση. Μαύρες τρύπες χιλιάδες φορές μεγαλύτερης μάζας θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί στο πρώιμο σύμπαν, όταν τα εξωτικά αντικείμενα που ονομάζονταν οιονεί αστέρια πιστεύονταν ότι αφθονούν, που δεν τροφοδοτούνταν από πυρηνικές αντιδράσεις αλλά από την πτώση θερμού αερίου προς έναν ταχέως αναπτυσσόμενο σπόρο της κεντρικής μαύρης τρύπας. Πιο μαζικές είναι ακόμη οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, με μάζα έως και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του ήλιου, που πιστεύεται ότι είναι η βαρυτική άγκυρα στο κέντρο μεγαλύτερων γαλαξιών όπως ο δικός μας. Το πώς αυτές οι μορφές παραμένει κάτι σαν μυστήριο.
Είναι ενδιαφέρον ότι, αν κάποιος επιχειρούσε μια κοσμική απογραφή μαύρων οπών, θα περίμενε ότι ο αριθμός των μαύρων οπών θα μειωνόταν δραστικά στην περιοχή από 30 έως περίπου 70 ηλιακές μάζες. Η τρέχουσα κατανόησή μας για την αστρική εξέλιξη βάζει ένα καπάκι στο μέγεθος των μεγαλύτερων άστρων, και ως εκ τούτου, στο μέγεθος των μαύρων οπών που θα μπορούσαν να δημιουργηθούν στον απόηχο του θανάτου τους (από σουπερνόβα).
Προκαλεί έκπληξη τότε το γεγονός ότι, από τότε που άρχισε να παρατηρεί, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ, ή LIGO, έχει ανιχνεύσει πολλαπλές συγχωνεύσεις μαύρων οπών ακριβώς εντός αυτού του εύρους μάζας. Τα τελευταία χρόνια, πολλοί αστροφυσικοί και κοσμολόγοι έχουν προβληματιστεί για το από πού μπορεί να προέρχονται αυτές οι μαύρες τρύπες. Όπως συμβαίνει συχνά στην έρευνα καθώς ψάχνουμε για μια βαθύτερη κατανόηση του σύμπαντος, μπορεί να καταλήγει σε κάποια λεπτότητα στα μοντέλα μας αστρικής και γαλαξιακής εξέλιξης που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί. Ωστόσο, πρόσφατα αναβιώθηκε μια πιο εντυπωσιακή πιθανότητα:ότι ίσως χρειαστεί να δεχτούμε ένα άλλο μέλος στον κοσμικό ζωολογικό κήπο των μαύρων τρυπών—αρχέγονο μαύρες τρύπες—το μαύρο πρόβατο των μαύρων τρυπών, που αναγνωρίστηκε για πρώτη φορά ως θεωρητική πιθανότητα στα τέλη της δεκαετίας του 1960 από τους Σοβιετικούς αστροφυσικούς Igor Novikov και Yakov Zeldovich. Συνειδητοποίησαν ότι αυτές οι μαύρες τρύπες μπορεί να αφθονούσαν πολύ πριν καν προλάβουν να σχηματιστούν τα αστέρια. Ίσως αυτές να είναι οι πολύ μαύρες τρύπες που έχει δει η συνεργασία του LIGO;
Η πιθανότητα προκύπτει από το γεγονός ότι οι μαύρες τρύπες δεν χρειάζεται να έχουν σχηματιστεί μέσω κάποιας αστροφυσικής διαδικασίας. Οι μαύρες τρύπες μπορούν να σχηματιστούν ακόμη και στην απουσία από οποιαδήποτε ύλη, από αρκετά μεγάλες παραμορφώσεις του χωροχρόνου που κουλουριάζονται σε μια μοναδικότητα. Ο αείμνηστος φυσικός Stephen Hawking, γνωρίζοντας αυτό, διασκέδασε μια συναρπαστική και απλή ιδέα, βασισμένη στο γεγονός ότι η ίδια η Μεγάλη Έκρηξη ήταν το τελικό στάδιο μιας εκρηκτικής διαδικασίας, που δημιούργησε μια εξαιρετικά ενεργητική, πυκνή, θερμική αρχική κατάσταση που ήταν απίστευτα ομαλές και ομοιογενείς—αλλά για τις μικρότερες από τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις του χωροχρόνου. Ο Χόκινγκ πρότεινε ότι οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί από αυτές τις ίδιες τις κβαντικές διακυμάνσεις που θα συνέχιζαν να σχηματίζουν, μετά από δισεκατομμύρια χρόνια, τη σκαλωσιά που μοιάζει με νήμα γύρω από την οποία συγχωνεύονται τώρα όλα τα σμήνη γαλαξιών.
Εάν, κατά κάποιο τρόπο, κάποιος μηχανισμός σημείωνε την ένταση αυτού του αρχέγονου θορύβου σε μικρές κλίμακες (ή υψηλές συχνότητες), θα υπήρχαν μικρές αλλά εξαιρετικά βαθιές κοιλότητες στο χωροχρονικό συνεχές που θα μπορούσαν από μόνες τους να είχαν καταρρεύσει σε μαύρες τρύπες νωρίς στην κοσμική ιστορία , με ένα ευρύτερο φάσμα πιθανών μαζών από αυτές που παράγονται αργότερα στην ιστορία του σύμπαντος. Αυτός ο μη μειώσιμος κβαντικός θόρυβος είναι, φυσικά, η συνέπεια της περίφημης αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg στο πρώιμο σύμπαν. Σύμφωνα με την αρχή, ποτέ δεν μπορεί κανείς να γνωρίζει, για παράδειγμα, τη θέση και την ταχύτητα οποιουδήποτε σωματιδίου ταυτόχρονα. Ως εκ τούτου, τα μικροσκοπικά σωματίδια δεν μπορούν ποτέ να είναι ακριβώς σε ηρεμία, καθώς για να γίνει αυτό απαιτείται ταυτόχρονος ακριβής προσδιορισμός θέσεων και ταχυτήτων. Το ίδιο ισχύει για τις τοπικές διεγέρσεις του ίδιου του χωροχρόνου, ο οποίος, ως αποτέλεσμα, κυμαίνεται σε όλες τις κλίμακες στο πρώιμο σύμπαν. Αυτός είναι ο θόρυβος που δημιούργησε τη δομή του σύμπαντος στη μεγαλύτερη κλίμακα. Ο Χόκινγκ συνειδητοποίησε ότι οποιοσδήποτε μηχανισμός που ενισχύει αυτόν τον θόρυβο σε μικρότερες κλίμακες θα μπορούσε εξίσου εύκολα να δημιουργήσει μαύρες τρύπες λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Όσο ελκυστική και αν είναι η ιδέα, προς το παρόν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες παραμένουν στη σφαίρα της φαντασίας των θεωρητικών. Αυτό θα μπορούσε να αλλάξει, φυσικά, εάν κάποια στιγμή στο εγγύς μέλλον ένα παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων δει τη συγχώνευση μιας μαύρης τρύπας με μια μάζα που θα μπορούσε μόνο να είναι αρχέγονος. Τα ισχυρά στοιχεία θα μπορούσαν να λάβουν τη μορφή, για παράδειγμα, να εντοπίσουμε μια μαύρη τρύπα με μάζα μικρότερη από περίπου μιάμιση φορά από αυτή του ήλιου, το λεγόμενο όριο Chandrasekhar, που πήρε το όνομά του από τον Subrahmanyan. Μια τέτοια μαύρη τρύπα θα ήταν αδύνατο να δημιουργηθεί από την κατάρρευση ενός αστρικού αντικειμένου, καθώς ο ελαφρύτερος δυνατός πρόγονος μιας αστρικής μαύρης τρύπας δεν θα είχε αρκετή μάζα για να καταρρεύσει σε μια μαύρη τρύπα κάτω από αυτό το όριο. Αν και ελαφρώς βαρύτερη από το όριο Chandrasekhar, μια πρόσφατη παρατήρηση για το ποια θα ήταν η ελαφρύτερη μαύρη τρύπα (ή το βαρύτερο αστέρι νετρονίων) που έχει δει ποτέ είναι αρκετά μπερδεμένη ώστε ορισμένοι αστροφυσικοί να κάνουν εικασίες για την αρχέγονη προέλευσή της.
Δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν μπορούν να βρεθούν στον δικό μας γαλαξία, πόσο μάλλον στο ηλιακό μας σύστημα. Το 2015, ένα ζευγάρι αστρονόμων του Caltech πρότειναν ότι ένας πλανήτης μεγέθους Ποσειδώνα θα μπορούσε να περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο πολύ πέρα από τον Πλούτωνα, κάτι που θα εξηγούσε κάποιες περίεργες τροχιές άλλων πιο μικροσκοπικών αντικειμένων στη Ζώνη Kuiper. Αλλά, ως έγγραφο του 2019 που δημοσιεύτηκε στο ArXiv προτείνει, αυτός ο πλανήτης εννέα θα μπορούσε επίσης να είναι μια αρχέγονη μαύρη τρύπα στο μέγεθος ενός γκρέιπφρουτ. Μερικοί έχουν φτάσει στο σημείο να υποθέσουν ότι η ίδια η σκοτεινή ύλη -η οποία έχει διαφύγει κάθε προσπάθειά μας να την ανιχνεύσουμε άμεσα- μπορεί να είναι τόσο αόριστη όσο είναι επειδή δεν είναι τίποτα άλλο από ένα σμήνος αρχέγονων μαύρων οπών συγκεντρωμένων σε φωτοστέφανα γύρω κάθε γαλαξία.
Ακόμα κι αν η σκοτεινή ύλη δεν αποτελείται εξ ολοκλήρου από αρχέγονες μαύρες τρύπες, η πιθανή ύπαρξή τους είναι μια προκλητική προοπτική για τους αστροφυσικούς και τους κοσμολόγους, όχι μόνο για τις επιπτώσεις τους στην εξέλιξη του σύμπαντος, αλλά και για τη γένεσή του. Θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει παραμορφώσεις στην ακτινοβολία λειψάνων του Big Bang μέσω της εξάτμισης του Hawking. Θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει τους προγόνους των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στο κέντρο κάθε γαλαξία. Η ύπαρξή τους θα μπορούσε να προσφέρει ένα παράθυρο στον μηχανισμό που έθεσε τις αρχικές συνθήκες για τη Μεγάλη Έκρηξη. Προς το παρόν, εξακολουθούν να είναι πεισματικά δύσκολο να αποκλειστούν, κρατώντας πολλούς κοσμολόγους και αστροφυσικούς, συμπεριλαμβανομένου του συγγραφέα, απασχολημένοι με τη δυνατότητα τους.
Ο Subodh Patil είναι θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Niels Bohr στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. Τιτιβίζει περιστασιακά στο @_subodhpatil.
