Σκοτεινή ύλη και μαύρες τρύπες:Θα μπορούσαν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες να είναι η απάντηση;

Πιστώσεις εικόνας:ESA.

Νέα έρευνα δείχνει ότι οι μαύρες τρύπες από λείψανα πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη μπορεί να διαμορφώνουν ακόμη και σήμερα τους γαλαξίες. Αυτές οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, ένα από τα μεγαλύτερα άλυτα ερωτήματα στην κοσμολογία.

Σε γενικές γραμμές, οι μαύρες τρύπες είναι περιοχές του χωροχρόνου όπου η ύλη συμπιέζεται σε ένα μικροσκοπικό χώρο. Η σκοτεινή ύλη, εν τω μεταξύ, είναι ύλη που δεν αντανακλά ούτε απορροφά το φως. Γνωρίζουμε ότι υπάρχει λόγω της βαρυτικής του επίδρασης στους γαλαξίες και σε άλλες κοσμικές δομές.

Μπορεί να θεωρηθεί ως η «κόλλα» που συγκρατεί τους γαλαξίες, αλλά δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται σε ένα θεμελιώδες επίπεδο. Οι περισσότεροι φυσικοί πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ένα υποατομικό σωματίδιο που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη.

Αλλά οι αρχαίες μαύρες τρύπες πριν από τη μεγάλη έκρηξη ταιριάζουν επίσης. Είναι σκούρα, αλλά έχουν και μάζα – ακριβώς τις ιδιότητες που απαιτούνται.

Έχω εξερευνήσει αυτήν την ιδέα σε μια νέα εργασία. Φυσικά, η ιδέα των λειψάνων μαύρων τρυπών απαιτεί επίσης μια επανεξέταση της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης.

Για σχεδόν έναν αιώνα, οι κοσμολόγοι ανίχνευαν την ιστορία του σύμπαντος σε αυτή τη μοναδική, δραματική στιγμή. Ίσως όμως αυτό να μην ήταν η απόλυτη αρχή του χρόνου. Ίσως υπήρχε ένα σύμπαν πριν από τη μεγάλη έκρηξη.

Σύμφωνα με αυτό το σενάριο, το σύμπαν κατέρρευσε πριν υποβληθεί σε διαστολή. Η μεγάλη έκρηξη αντιπροσωπεύει τη μετάβαση μεταξύ των δύο φάσεων.

Το μοντέλο του big bang σημείωσε εντυπωσιακή επιτυχία. Εξηγεί το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων – την υστερία λάμψη του πρώιμου σύμπαντος – και προβλέπει τη μεγάλης κλίμακας κατανομή των γαλαξιών με εκπληκτική ακρίβεια.

Αλλά στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, είναι επίσης μια μοναδικότητα - ένα σημείο όπου η πυκνότητα γίνεται άπειρη και οι γνωστοί νόμοι της φυσικής καταρρέουν.

Πολλοί φυσικοί το ερμηνεύουν αυτό όχι ως φυσική πραγματικότητα, αλλά ως σημάδι ότι κάτι λείπει. Οι μοναδικότητες μοιάζουν λιγότερο με φυσικά αντικείμενα και περισσότερο με μαθηματικές προειδοποιήσεις:μας λένε ότι οι τρέχουσες θεωρίες μας δεν μπορούν να περιγράψουν τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος.

Μια αναπήδηση, όχι ένα χτύπημα

Μια εναλλακτική είναι μια αναπηδούσα κοσμολογία. Σε αυτή την εικόνα, το σύμπαν υφίσταται μια φάση συστολής πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, φτάνοντας σε μια εξαιρετικά υψηλή – αλλά πεπερασμένη – πυκνότητα. Αντί να καταρρεύσει σε μια μοναδικότητα, αναπηδά, ξεκινώντας μια νέα επεκτεινόμενη φάση.

Τα μοντέλα που αναπηδούν έχουν εξερευνηθεί εδώ και δεκαετίες, απαιτώντας συχνά τροποποιήσεις στη βαρύτητα ή εξωτικά νέα συστατικά. Αλλά η εργασία μας δείχνει ότι μια αναπήδηση μπορεί να προκύψει ως κανονική λύση στο πλαίσιο της τυπικής φυσικής, όταν η βαρύτητα και τα αποτελέσματα της κβαντικής μηχανικής –οι νόμοι που διέπουν τη φύση στις πιο μικρές κλίμακες– λαμβάνονται με συνέπεια.

Στην τυπική κοσμολογία, η μεγάλη έκρηξη ακολουθείται γρήγορα από μια περίοδο όπου το πρώιμο σύμπαν υφίσταται μια περίοδο ταχείας και εκθετικής διαστολής. Αυτό το στάδιο, γνωστό ως πληθωρισμός, διαγράφει αποτελεσματικά όλα τα ίχνη προηγούμενων δομών.

Εικόνα μαύρης τρύπας που δημιουργήθηκε από AI.

Η κατάσταση είναι διαφορετική για ένα σύμπαν που αναπηδά. Στην εργασία μας, διαπιστώσαμε ότι πράγματα μεγαλύτερα από 90 μέτρα θα μπορούσαν να έχουν επιβιώσει από τη μετάβαση από την κατάρρευση στην επέκταση. Αυτό αφήνει πίσω του «λείψανα» που μεταφέρουν πληροφορίες από μια προηγούμενη κοσμική εποχή. Αυτά τα λείψανα μπορεί να περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες, βαρυτικά κύματα και διακυμάνσεις πυκνότητας.

Η κβαντική φυσική περιέχει μια ισχυρή ένδειξη για το πώς αυτό είναι δυνατό. Σύμφωνα με την αρχή του αποκλεισμού Pauli – ακρογωνιαίο λίθο της κβαντικής θεωρίας – η ύλη «εκφυλίζεται» σε εξαιρετικά υψηλές πυκνότητες. Η ύλη δημιουργεί μια πίεση που αντιστέκεται σε περαιτέρω συμπίεση ακόμη και απουσία θερμότητας.

Στο μοντέλο μας, ένα παρόμοιο αποτέλεσμα λειτουργεί σε κοσμολογικές κλίμακες. Μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν δεν καταρρέει εντελώς – και γιατί οι δομές που σχηματίστηκαν πριν ή κατά τη διάρκεια της αναπήδησης μπορούν να επιβιώσουν στη φάση διαστολής.

Επιβίωση της αποκάλυψης

Εντοπίζουμε δύο κύριες διαδρομές μέσω των οποίων μπορούν να προκύψουν λείψανα μαύρες τρύπες.

Το πρώτο είναι η άμεση επιβίωση. Τα συμπαγή αντικείμενα και οι διαταραχές (διακυμάνσεις στην πυκνότητα ή τη βαρύτητα) που δημιουργούνται κατά τη φάση της κατάρρευσης του σύμπαντος μπορούν να επιμείνουν κατά τη διάρκεια της αναπήδησης.

Η δεύτερη διαδρομή είναι ακόμα πιο ενδιαφέρουσα. Κατά τη συστολή, η ύλη συσσωρεύεται φυσικά υπό τη βαρύτητα, σχηματίζοντας δομές παρόμοιες με τα φωτοστέφανα που φιλοξενούν τους γαλαξίες σήμερα. Μετά την αναπήδηση, μπορούν να καταρρεύσουν αποτελεσματικά σε μαύρες τρύπες.

Οι γαλαξίες και τα αστέρια από τη φάση της συστολής ουσιαστικά καταρρέουν σε μαύρες τρύπες, διαγράφοντας το μεγαλύτερο μέρος της λεπτομερούς δομής τους αλλά διατηρώντας τη μάζα τους.

Θα μπορούσαν αυτές οι μαύρες τρύπες να είναι σκοτεινή ύλη; Για δεκαετίες, ο κορυφαίος υποψήφιος ήταν ένα θεμελιώδες σωματίδιο — αλλά κανένα δεν έχει εντοπιστεί παρά τις εκτεταμένες αναζητήσεις.

Οι μαύρες τρύπες των λειψάνων προσφέρουν μια συναρπαστική εναλλακτική. Εάν η αναπήδηση παράγει αρκετά από αυτά, θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα σημαντικό —ίσως κυρίαρχο— κλάσμα της σκοτεινής ύλης.

Αυτή η ιδέα μπορεί επίσης να συνδεθεί με ένα από τα πιο συναρπαστικά παζλ παρατήρησης των τελευταίων ετών.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) αποκάλυψε έναν πληθυσμό συμπαγών, εξαιρετικά κόκκινων αντικειμένων στο πρώιμο σύμπαν, που μερικές φορές αποκαλούνται «μικρές κόκκινες κουκκίδες». Αυτές οι αστρονομικές πηγές φαίνεται να είναι απροσδόκητα ογκώδεις και φωτεινές μόνο μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Πολλοί αστρονόμοι υποπτεύονται ότι σχετίζονται με ταχέως αναπτυσσόμενες μαύρες τρύπες – ίσως οι σπόροι των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών σήμερα. Αλλά η ύπαρξή τους είναι δύσκολο να εξηγηθεί στο πλαίσιο της τυπικής κοσμολογίας. Πώς θα μπορούσαν να σχηματιστούν τόσο ογκώδη αντικείμενα τόσο γρήγορα;

Οι μαύρες τρύπες των λειψάνων παρέχουν μια φυσική εξήγηση. Εάν υπήρχαν ήδη τεράστιοι σπόροι αμέσως μετά την αναπήδηση, το πρώιμο σύμπαν δεν θα χρειαζόταν να ξεκινήσει από το μηδέν. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να αναπτυχθούν από αρχαίους επιζώντες και όχι από νεοσχηματισμένα αντικείμενα.

Υπό αυτή την έννοια, το JWST μπορεί ήδη να βλέπει τους απογόνους των λειψάνων πριν από την αναπήδηση.

Ένα νέο κοσμολογικό πλαίσιο

Συνολικά, το σενάριο αναπήδησης προσφέρει έναν ενιαίο τρόπο αντιμετώπισης πολλών μακροχρόνιων προβλημάτων στην κοσμολογία.

• Η μοναδικότητα του big bang αντικαθίσταται από μια κβαντική μετάβαση. Αυτή η μετάβαση θα μπορούσε να σχετίζεται με την έννοια της «γέφυρας Αϊνστάιν-Ρόζεν»:μια μαθηματική σύνδεση μεταξύ δύο ανόμοιων περιοχών του χωροχρόνου.
• Ο πληθωρισμός προκύπτει φυσικά από τη δυναμική κοντά στην ανάκαμψη.
• Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να σχετίζεται με την παγκόσμια δομή ενός πεπερασμένου σύμπαντος.
• Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από λείψανα μαύρες τρύπες —ίσως το δικό μας σύμπαν ξεκίνησε ως ένα.
• Τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να μεταφέρουν σήματα από μια προηγούμενη κοσμική φάση.
• Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορεί να έχουν αρχαία προέλευση σύμφωνα με τις πρόσφατες παρατηρήσεις του JWST.

Απομένει πολλή δουλειά να γίνει. Αυτές οι ιδέες πρέπει να δοκιμαστούν σε δεδομένα – από υπόβαθρα βαρυτικών κυμάτων έως έρευνες γαλαξιών και μετρήσεις ακριβείας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου.

Αλλά η πιθανότητα είναι βαθιά:το σύμπαν μπορεί να μην έχει ξεκινήσει μια φορά, αλλά μπορεί να έχει ανακάμψει. Και οι σκοτεινές δομές που διαμορφώνουν τους γαλαξίες σήμερα θα μπορούσαν να είναι λείψανα μιας εποχής πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Enrique Gaztanaga, Καθηγητής Αστροφυσικής στο Ινστιτούτο Κοσμολογίας και Βαρύτητας, Πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.