Η σκοτεινή ύλη μπορεί να παγιδευτεί σε όλες τις μαύρες τρύπες
Όταν, στις 11 Φεβρουαρίου 2016, ο εκπρόσωπος του Advanced Laser Interferometric Gravitational Wave Observer, ή aLIGO, για συντομία, ανακοίνωσε την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων, έμεινα έκπληκτος. Σίγουρα, περιμέναμε το aLIGO να μας δώσει, κάποια στιγμή, κάτι ενδιαφέρον, αλλά πιστεύαμε ότι θα ήταν δοκιμαστικό. Περιμέναμε ότι το έργο, μετά από μια εκλεπτυσμένη και επίπονη ματιά σε δεδομένα μηνών ή ετών, θα μας έδειχνε ένα αδύναμο σήμα, που θα σκάσει αδύναμα το κεφάλι του πάνω από τον θόρυβο.
Αλλά όχι, οι πλοκές που παρουσιάστηκαν εκείνη τη μοιραία μέρα του Φεβρουαρίου ήταν τόσο ξεκάθαρες και ξεκάθαρες που δεν θεώρησα κάτι πειστικό. Μπορούσα να δω, με τα γυμνά μου μάτια, την αδιαμφισβήτητη κυματομορφή δύο μεγάλων μαύρων οπών να ενώνονται, να συγχωνεύονται σε μία και, καθώς κατακάθιζε, να αιμορραγούν τα βαρυτικά κύματα στον ατμοσφαιρικό χωροχρόνο.
Και ήταν περισσότερα. Οι μαύρες τρύπες που είδε το aLIGO δεν έπρεπε να είναι εκεί. Γνωρίζαμε ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες με μάζα ένα εκατομμύριο ή ένα τρισεκατομμύριο φορές τη μάζα του Ήλιου, και είχαμε δει μικρότερες μαύρες τρύπες με μάζα παρόμοια με αυτή του Ήλιου. Αλλά οι μαύρες τρύπες που είδε το aLIGO είναι 30 έως 60 φορές βαρύτερες από τον Ήλιο. Ορισμένοι από τους συναδέλφους μου ισχυρίζονται τώρα ότι οι μεσαίου μεγέθους μαύρες τρύπες που αποκάλυψε το aLIGO μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη που μας διέφυγε για σχεδόν 50 χρόνια.
Αυτή δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες προτείνουν ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι σκοτεινή ύλη, αλλά πιστεύαμε ότι η πιθανότητα είχε αποφασιστικά αποκλειστεί. Η ανάσταση της ιδέας δεν είναι παρά ένα παράδειγμα της γόνιμης δημιουργικότητας που ακολουθεί μια νέα ανακάλυψη. Ιδέες που δεν ευνοήθηκαν μπορούν να επανέλθουν στη μόδα, να εξεταστούν με νέο πρίσμα και να επιδιωχθούν με ενθουσιασμό—αντικαθιστώντας, σε ορισμένες περιπτώσεις, αποδεκτές απόψεις. Αυτές οι αναθεωρητικές ανακαλύψεις συγκεντρώνουν επίσης αυτά που φαίνονται πολύ διαφορετικά πεδία έρευνας —στην περίπτωση αυτή τη σκοτεινή ύλη και τα βαρυτικά κύματα— και οδηγούν σε γόνιμες συνδέσεις.
Στη δεκαετία του 1970, ο Στίβεν Χόκινγκ και ο τότε πτυχιούχος φοιτητής του Μπέρναρντ Καρ πρότειναν ότι, από το χάος που επικράτησε μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, θα μπορούσε να είχε αναδυθεί μια θάλασσα από μικροσκοπικές αρχέγονες μαύρες τρύπες, κατοικώντας το διάστημα. Με την πάροδο του χρόνου αυτές οι μαύρες τρύπες θα είχαν μεγαλώσει, προκαλώντας τον σχηματισμό γαλαξιών στη διαδικασία. Θα μπορούσαν, ενδεχομένως, ακόμη και να συνεισφέρουν στον συνολικό ενεργειακό προϋπολογισμό του Σύμπαντος. Οι μαύρες τρύπες είναι βαριές και δύσκολα ορατές, απλώς οι ιδιότητες που χρειαζόμαστε για να εξηγήσουμε την ύλη που λείπει από το σύμπαν.
Για μερικές δεκαετίες, μια σκληροπυρηνική ομάδα πιστών ώθησε αυτή την ιδέα. Στη δεκαετία του 1990, χρειάστηκε ένα θανατηφόρο χτύπημα. Το πείραμα MACHO εκπαίδευσε ένα τηλεσκόπιο στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου και παρακολούθησε το αχνό τρεμόπαιγμα που θα εμφανιζόταν όταν αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες περνούσαν μπροστά από ένα αστέρι. Διαπίστωσαν ότι θα ήταν πολύ δύσκολο να υπάρχουν αρκετές μαύρες τρύπες για να αποτελούν το σύνολο της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν.
Πιο πρόσφατα, ο Timothy Brandt, από το Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, εξέτασε τι μπορεί να κάνουν οι μαύρες τρύπες σε πυκνές συσσωματώσεις άστρων, γνωστά ως σφαιρικά σμήνη, που ζουν σε νάνους γαλαξίες που παραμονεύουν στο κενό γύρω από τον Γαλαξία. Έχει δείξει ότι, εάν υπάρχουν πάρα πολλές μαύρες τρύπες, αυτά τα σφαιρικά σμήνη θα θερμαίνονται, θα φουσκώνουν και θα σβήνουν πολύ γρήγορα. Συνδέοντας τους αριθμούς για ένα συγκεκριμένο σμήνος στον νάνο γαλαξία Ηριδανός ΙΙ, μπόρεσε να δείξει ότι μόνο ένα μικρό κλάσμα της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να έχει τη μορφή μαύρων οπών. Και έτσι οι μαύρες τρύπες ως σκοτεινή ύλη έγιναν μια άλλη εξωτική ιδέα με την οποία αρέσει να παίζουν οι θεωρητικοί, αλλά αυτό φαινόταν να μην έχει καμία σχέση με τον φυσικό κόσμο.
Η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη έχει επικεντρωθεί αντ 'αυτού στα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Μαζικά Σωματίδια ή WIMPS για συντομία. Αυτά είναι θεμελιώδη σωματίδια που είναι λείψανα από πολύ πρώιμους χρόνους όταν οι θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης ήταν ενοποιημένες και συμπεριφέρονταν πολύ διαφορετικά από ό,τι τώρα. Για πολλούς από τους συναδέλφους μου, η ανακάλυψη του WIMPS είναι αναπόφευκτη. πρέπει να είναι εκεί. Όσο κατασκευάζουμε ένα όργανο που είναι ισχυρό και αρκετά μεγάλο, πιστεύουν οι περισσότεροι κοσμολόγοι, αναπόφευκτα, μια μέρα, θα δούμε αυτά τα παράξενα σωματίδια.
Μόνο που αυτό δεν έχει συμβεί. Με τον καιρό, οι ανιχνευτές μας έχουν γίνει πιο ισχυροί και μεγαλύτεροι, ωστόσο δεν έχουν βρει τίποτα. Πρόσφατα το πείραμα LUX, το οποίο αναζητά σπάνια σωματίδια που εναποθέτουν την ενέργειά τους σε μισό μετρικό τόνο υγρού Xenon που θαμμένο ένα μίλι κάτω από τη γη στο Lead της Νότιας Ντακότα, απέτυχε να φέρει κανένα στοιχείο για αόρατα μέχρι τώρα σωματίδια. Ο Richard Gaitskell από το Πανεπιστήμιο Brown, ένας από τους αρχιτέκτονες πίσω από το LUX, είπε:«Θα ήταν υπέροχο αν η βελτιωμένη ευαισθησία είχε δώσει επίσης ένα σαφές σήμα σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, αυτό που έχουμε παρατηρήσει είναι συνεπές μόνο με το ιστορικό».
Δεδομένων των τρομερών δυσκολιών που περνά το WIMPS, είναι λογικό να επανεξετάσουμε μερικές από τις παλιές, κερδοσκοπικές, απορριφθείσες ιδέες που ήταν αδρανείς. Δύο πρόσφατες εργασίες, η μία με επικεφαλής τον Simeon Bird, με έδρα το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, και μια άλλη με επικεφαλής τον Misao Sasaki, με έδρα το Ινστιτούτο Yukawa στο Κιότο, κάνουν ακριβώς αυτό.
Παρακινούμενοι από την ανακάλυψη του aLIGO, έχουν βρει αν οι μαύρες τρύπες με μάζα μερικές δεκάδες της μάζας του Ήλιου θα μπορούσαν να είναι η σκοτεινή ύλη. Θα πρέπει να υπάρχουν 10 δισεκατομμύρια από αυτές τις μαύρες τρύπες στον Γαλαξία μας, με την πλησιέστερη πιθανώς να είναι λίγα έτη φωτός μακριά από το ηλιακό μας σύστημα. Από αυτές τις μαύρες τρύπες, μερικές θα ενωθούν για να σχηματίσουν δυαδικά, και μερικά τέτοια ζεύγη θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από το aLIGO. Οι δύο ομάδες συμφωνούν ότι το aLIGO θα πρέπει να περιμένει να βλέπει από μερικές έως πολλές δεκάδες από αυτά τα γεγονότα το χρόνο. θα κυριαρχούσαν στις μαύρες τρύπες που παράγονται με συνηθισμένα μέσα όπως η αστρική κατάρρευση. Με άλλα λόγια, εάν αυτές οι μαύρες τρύπες είναι η σκοτεινή ύλη στον γαλαξία, θα περιμέναμε να τις είχαμε δει ήδη με το aLIGO. Και έχουμε.
Ο διάβολος βρίσκεται στις λεπτομέρειες. Το πώς θα εμφανίζονταν αρχικά οι αρχέγονες μαύρες τρύπες είναι ακόμα στον αέρα. Μια ιδέα είναι ότι κατασκευάστηκαν κατά τη διάρκεια μιας σύντομης περιόδου επιταχυνόμενης διαστολής στο πρώιμο Σύμπαν, γνωστή ως πληθωρισμός. Οι κραδασμοί και τα ρίγη κατά τη διαστολή θα είχαν συγκεντρώσει την ενέργεια σε πυκνές βάτες, προκαλώντας το σχηματισμό μαύρων οπών. Για να τις ανιχνεύσουμε, αυτές οι τρύπες θα πρέπει να πλησιάσουν αρκετά ώστε να συσσωματωθούν μεταξύ τους και στη συνέχεια να συγχωνευθούν, στέλνοντας τα βαρυτικά κύματα. Το πώς και το πότε θα συμβεί αυτό θα εξαρτηθεί από το σχήμα του Γαλαξία, πόσο σφιχτά είναι η μάζα του και πόσο γρήγορα κινούνται οι μαύρες τρύπες. Οι λογικές υποθέσεις φαίνεται να δίνουν μια πολλά υποσχόμενη απάντηση, αλλά εξακολουθούν να είναι μόνο υποθέσεις.
Αυτές είναι οι πρώτες μέρες στο πεδίο μετά την ευφορία της ανακάλυψης του aLIGO και όλα μπορούν να συμβούν. Οι περιορισμοί από το πείραμα MACHO και από τα σφαιρικά σμήνη λειτουργούν ενάντια στην ιδέα τους, αλλά κάποια ευρηματικότητα μπορεί να διορθώσει τα προβλήματα που δημιουργούνται από τις παρατηρήσεις.
Η προηγμένη ανακάλυψη LIGO μου θυμίζει μια άλλη μεταμόρφωση που έχω δει κατά τη διάρκεια της καριέρας μου. Το 1991, ο δορυφόρος COBE μέτρησε, για πρώτη φορά, τους κυματισμούς στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, την ακτινοβολία που έμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η απογοητευτική και σχεδόν δονκιχωτική αναζήτηση για αυτούς τους κυματισμούς είχε συνεχιστεί για πάνω από 25 χρόνια, σχεδόν υποβιβαζόμενη σε ένα τέλμα κοσμολογίας. Η ίδια η κοσμολογία θεωρήθηκε ως εσωτερική και δύσκολο να εντοπιστεί, ένα μάλλινο θέμα, αν και εξαιρετικά ευχάριστο και δημιουργικό. Ωστόσο, όταν τελικά ανακαλύφθηκαν οι κυματισμοί, ενεργοποίησαν την κοσμολογία με μια χιονοστιβάδα ιδεών όχι μόνο στην αστρονομία αλλά και στη σωματιδιακή φυσική.
Για δεκαετίες, τώρα, προσπαθούμε να συνδέσουμε τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης που θα βασίλευαν στο πρώιμο Σύμπαν με τον τρόπο που οι γαλαξίες γεννιούνται, εξελίσσονται και καταλήγουν να σχηματίζουν την τρέχουσα μεγάλης κλίμακας δομή του. Ενώ η ανακάλυψη COBE με έβαλε στο μονοπάτι που ακολούθησα μέχρι σήμερα, μπορώ πολύ καλά να δω το προηγμένο LIGO να κάνει το ίδιο για μια νέα γενιά φυσικών στην αναζήτησή τους για τη σκοτεινή ύλη.
Ο Pedro Ferreira είναι θεωρητικός κοσμολόγος και αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και μέλος του Κολεγίου Oriel. Εργάζεται πάνω στην προέλευση της δομής μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν, στη γενική θεωρία της σχετικότητας και στη φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Το πιο πρόσφατο βιβλίο του, Η Τέλεια Θεωρία, είναι μια βιογραφία της Γενικής Σχετικότητας. Ήταν στη βραχεία λίστα για το Βραβείο Επιστημονικού Βιβλίου Winton/Royal Society και στη βραχεία λίστα για το Physics World Book of the Year (2014).
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο Nautilus Cosmos τον Φεβρουάριο του 2017.
