Οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι οι μαύρες τρύπες από τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσαν να είναι η σκοτεινή ύλη

Οι μαύρες τρύπες είναι σαν καρχαρίες. Κομψό, απλό, πιο τρομακτικό στη λαϊκή φαντασία από ό,τι τους αξίζει, και πιθανόν να κρύβονται σε βαθιά, σκοτεινά μέρη γύρω μας.

Η ίδια η μαυρίλα τους καθιστά δύσκολο να υπολογίσουμε πόσες μαύρες τρύπες κατοικούν στο σύμπαν και πόσο μεγάλες είναι. Ήταν λοιπόν μια πραγματική έκπληξη όταν τα πρώτα βαρυτικά κύματα πέρασαν μέσα από ανιχνευτές στο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με συμβολόμετρο λέιζερ (LIGO) τον Σεπτέμβριο του 2015. Προηγουμένως, οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες σε μέγεθος αστεριού είχαν ξεπεράσει περίπου 20 φορές τη μάζα του ήλιου . Αυτά τα νέα ήταν περίπου 30 ηλιακές μάζες το καθένα — όχι αδιανόητο, αλλά περίεργο. Επιπλέον, μόλις το LIGO ενεργοποιήθηκε και αμέσως άρχισε να ακούει αυτά τα είδη αντικειμένων να συγχωνεύονται μεταξύ τους, οι αστροφυσικοί συνειδητοποίησαν ότι πρέπει να κρύβονται περισσότερες μαύρες τρύπες εκεί έξω από ό,τι πίστευαν. Ίσως πολλά περισσότερα.

Η ανακάλυψη αυτών των παράξενων δειγμάτων έδωσε νέα πνοή σε μια παλιά ιδέα - μια ιδέα που είχε, τα τελευταία χρόνια, υποβιβαστεί στο περιθώριο. Γνωρίζουμε ότι τα αστέρια που πεθαίνουν μπορούν να κάνουν μαύρες τρύπες. Αλλά ίσως οι μαύρες τρύπες γεννήθηκαν επίσης κατά τη διάρκεια της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης. Ένας κρυμμένος πληθυσμός τέτοιων «αρχέγονων» μαύρων τρυπών θα μπορούσε να αποτελέσει σκοτεινή ύλη, έναν κρυφό αντίχειρα στην κοσμική κλίμακα. Εξάλλου, κανένα σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν έχει εμφανιστεί, παρά τις δεκαετίες αναζήτησης. Τι θα γινόταν αν τα συστατικά που χρειαζόμασταν πραγματικά — μαύρες τρύπες — ήταν κάτω από τη μύτη μας όλη την ώρα;

«Ναι, ήταν μια τρελή ιδέα», είπε ο Marc Kamionkowski, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, η ομάδα του οποίου κυκλοφόρησε ένα από τα πολλά εντυπωσιακά έγγραφα που εξέτασαν την πιθανότητα το 2016. «Αλλά δεν ήταν απαραίτητα πιο τρελό από οτιδήποτε άλλο. αλλιώς."

Αλίμονο, το φλερτ με τις αρχέγονες μαύρες τρύπες οξύνθηκε το 2017, μετά από μια εργασία του Yacine Ali-Haïmoud, αστροφυσικού στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης που είχε προηγουμένως συμμετάσχει στην αισιόδοξη ομάδα Kamionkowski, εξέτασε πώς αυτός ο τύπος μαύρης τρύπας θα μπορούσε να επηρεάσει το ποσοστό ανίχνευσης του LIGO. Υπολόγισε ότι εάν το μωρό σύμπαν δημιουργούσε αρκετές μαύρες τρύπες για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη, τότε με την πάροδο του χρόνου, αυτές οι μαύρες τρύπες θα εγκατασταθούν σε δυαδικά ζεύγη, θα περιφέρονταν η μία στην άλλη όλο και πιο κοντά και θα συγχωνεύονταν με ρυθμούς χιλιάδες φορές υψηλότερους από αυτόν που παρατηρεί το LIGO. Προέτρεψε άλλους ερευνητές να συνεχίσουν να ερευνούν την ιδέα χρησιμοποιώντας εναλλακτικές προσεγγίσεις. Πολλοί όμως έχασαν την ελπίδα τους. Το επιχείρημα ήταν τόσο καταδικαστικό που ο Kamionkowski είπε ότι έσβησε το ενδιαφέρον του για την υπόθεση.

Τώρα, ωστόσο, μετά από μια αναταραχή πρόσφατων εγγράφων, η αρχέγονη ιδέα της μαύρης τρύπας φαίνεται να επανήλθε στη ζωή. Σε ένα από τα τελευταία, που δημοσιεύτηκε την περασμένη εβδομάδα στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics , ο Karsten Jedamzik, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μονπελιέ, έδειξε πώς ένας μεγάλος πληθυσμός αρχέγονων μαύρων τρυπών θα μπορούσε να οδηγήσει σε συγκρούσεις που ταιριάζουν απόλυτα με αυτό που παρατηρεί το LIGO. «Αν τα αποτελέσματά του είναι σωστά - και φαίνεται να είναι προσεκτικός υπολογισμός που έχει κάνει - αυτό θα έβαζε το τελευταίο καρφί στο φέρετρο του δικού μας υπολογισμού», είπε ο Ali-Haïmoud, ο οποίος συνέχισε να παίζει με την ιδέα της αρχέγονης μαύρης τρύπας στο και τα επόμενα χαρτιά. "Θα σήμαινε ότι στην πραγματικότητα θα μπορούσαν να είναι όλη η σκοτεινή ύλη."

«Είναι συναρπαστικό», είπε ο Κρίστιαν Μπερνς, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σάσεξ, ο οποίος βοήθησε να εμπνευστούν ορισμένα από τα επιχειρήματα του Τζένταμζικ. "Έχει πάει πιο μακριά από ό,τι έχει πάει άλλος."

Η αρχική ιδέα χρονολογείται από τη δεκαετία του 1970 με το έργο του Στίβεν Χόκινγκ και του Μπέρναρντ Καρ. Ο Χόκινγκ και ο Καρ σκέφτηκαν ότι στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου του σύμπαντος, μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητά του θα μπορούσαν να προικίσουν τυχερές - ή άτυχες - περιοχές με υπερβολική μάζα. Κάθε μία από αυτές τις περιοχές θα κατέρρεε σε μια μαύρη τρύπα. Το μέγεθος της μαύρης τρύπας θα υπαγορευόταν από τον ορίζοντα της περιοχής - το τμήμα του διαστήματος γύρω από οποιοδήποτε σημείο που είναι προσβάσιμο με την ταχύτητα του φωτός. Οποιαδήποτε ύλη στον ορίζοντα θα αισθανόταν τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας και θα έπεφτε μέσα. Οι πρόχειροι υπολογισμοί του Χόκινγκ έδειξαν ότι αν οι μαύρες τρύπες ήταν μεγαλύτερες από τους μικρούς αστεροειδείς, θα μπορούσαν εύλογα να κρύβονται ακόμα στο σύμπαν σήμερα.

Περισσότερη πρόοδος σημειώθηκε τη δεκαετία του 1990. Μέχρι τότε, οι θεωρητικοί είχαν επίσης τη θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού, η οποία υποστηρίζει ότι το σύμπαν γνώρισε μια έκρηξη ακραίας διαστολής αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο πληθωρισμός θα μπορούσε να εξηγήσει από πού θα προέρχονταν οι αρχικές διακυμάνσεις της πυκνότητας.

Πέρα από αυτές τις διακυμάνσεις της πυκνότητας, οι φυσικοί εξέτασαν επίσης μια βασική μετάβαση που θα ωθούσε κατά μήκος της κατάρρευσης.

Όταν το σύμπαν ήταν νέο, όλη η ύλη και η ενέργειά του βυθίστηκε σε ένα αδιανόητα καυτό πλάσμα. Μετά το πρώτο εκατοστό χιλιοστό του δευτερολέπτου περίπου, το σύμπαν ψύχθηκε λίγο και τα χαλαρά κουάρκ και τα γκλουόνια του πλάσματος μπορούσαν να συνδεθούν μεταξύ τους σε βαρύτερα σωματίδια. Με μερικά από τα αστραπιαία σωματίδια να είναι πλέον ενωμένα μαζί, η πίεση έπεσε. Αυτό μπορεί να βοήθησε περισσότερες περιοχές να καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες.

Αλλά πίσω στη δεκαετία του 1990, κανείς δεν κατανοούσε τη φυσική ενός ρευστού κουάρκ και γκλουονίων αρκετά καλά για να κάνει ακριβείς προβλέψεις σχετικά με το πώς αυτή η μετάβαση θα επηρεάσει την παραγωγή μαύρης τρύπας. Οι θεωρητικοί δεν μπορούσαν να πουν πόσο μεγάλες θα έπρεπε να είναι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες ή πόσες να περιμένουμε.

Επιπλέον, οι κοσμολόγοι δεν φαινόταν να χρειάζονται πραγματικά αρχέγονες μαύρες τρύπες. Οι αστρονομικές έρευνες σάρωσαν κομμάτια ουρανού ελπίζοντας να βρουν μια θάλασσα από πυκνά, σκοτεινά αντικείμενα όπως μαύρες τρύπες που επιπλέουν στα περίχωρα του Γαλαξία μας, αλλά δεν βρήκαν πολλά. Αντίθετα, οι περισσότεροι κοσμολόγοι πίστευαν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από εξαιρετικά ντροπαλά σωματίδια που ονομάζονται WIMP. Και οι ελπίδες σιγοβράζονταν ότι είτε οι ειδικά κατασκευασμένοι ανιχνευτές WIMP είτε ο επερχόμενος Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων θα έβρισκαν σύντομα αδιάσειστα στοιχεία για αυτούς.

Με το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης να τυλίγεται με ένα τόξο και χωρίς παρατηρήσεις που να υποδηλώνουν το αντίθετο, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έγιναν ένα ακαδημαϊκό τέλμα. «Ένας ανώτερος κοσμολόγος με χλεύασε που δούλευα πάνω σε αυτό», είπε ο Jedamzik, ο οποίος εντοπίζει το δικό του ενδιαφέρον στη δεκαετία του 1990. "Έτσι το σταμάτησα, γιατί έπρεπε να έχω μια μόνιμη θέση."

Φυσικά, δεν έχουν βρεθεί WIMP τις δεκαετίες από τότε, ούτε νέα σωματίδια (εκτός από το προβλεπόμενο από καιρό μποζόνιο Higgs). Η σκοτεινή ύλη παραμένει σκοτεινή.

Ωστόσο, πολλά περισσότερα είναι γνωστά σήμερα για το περιβάλλον που θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει αρχέγονες μαύρες τρύπες. Οι φυσικοί μπορούν τώρα να υπολογίσουν πώς η πίεση και η πυκνότητα θα είχαν εξελιχθεί από το πλάσμα κουάρκ-γλουονίων στην αρχή του σύμπαντος. «Χρειάστηκαν πραγματικά δεκαετίες στην κοινότητα για να το επιλύσει αυτό», είπε ο Byrnes. Με αυτές τις πληροφορίες στο χέρι, θεωρητικοί όπως ο Byrnes και ο Juan García-Bellido στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης έχουν περάσει τα τελευταία χρόνια δημοσιεύοντας μελέτες που προβλέπουν ότι το πρώιμο σύμπαν θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει όχι μόνο ένα μέγεθος μαύρης τρύπας, αλλά μια σειρά από αυτές .

Αρχικά, τα κουάρκ και τα γκλουόνια κολλήθηκαν μεταξύ τους σε πρωτόνια και νετρόνια. Αυτό προκάλεσε πτώση πίεσης και θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει ένα σύνολο αρχέγονων μαύρων τρυπών. Καθώς το σύμπαν συνέχιζε να ψύχεται, σχηματίστηκαν σωματίδια όπως τα πιόνια, δημιουργώντας άλλη μια πτώση πίεσης και πιθανή έκρηξη μαύρης τρύπας.

Μεταξύ αυτών των εποχών, ο ίδιος ο χώρος επεκτάθηκε. Οι πρώτες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να απορροφήσουν περίπου μία ηλιακή μάζα υλικού από τον ορίζοντα γύρω τους. Ο δεύτερος γύρος θα μπορούσε να αρπάξει ίσως περίπου 30 ηλιακές μάζες - ακριβώς όπως τα περίεργα αντικείμενα που είδαν για πρώτη φορά το LIGO. "Βαρυτικά κύματα ήρθαν να μας σώσουν", είπε ο García-Bellido.

Μέσα σε λίγες εβδομάδες από την πρώτη ανακοίνωση βαρυτικών κυμάτων από το LIGO το 2016, η υπόθεση της αρχέγονης μαύρης τρύπας βρυχήθηκε ξανά στη ζωή. Αλλά το επόμενο έτος, ο Ali-Haïmoud έδειξε το επιχείρημά του ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα συγκρούονταν πολύ συχνά, κάτι που έδωσε στους υποστηρικτές ένα σημαντικό εμπόδιο για να ξεπεραστούν.

Ο Jedamzik ​​ανέλαβε την πρόκληση. Κατά τη διάρκεια μακρών διακοπών στην Κόστα Ρίκα, ακολούθησε τον καβγά του Ali-Haïmoud. Ο Ali-Haïmoud είχε κάνει τη δουλειά του αναλυτικά, μέσω εξισώσεων. Αλλά όταν ο Jedamzik ​​δημιούργησε αριθμητικές προσομοιώσεις του ίδιου προβλήματος, βρήκε μια ανατροπή.

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα σχημάτιζαν πράγματι δυαδικά. Αλλά ο Jedamzik ​​κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σε ένα σύμπαν που βρίθει από μαύρες τρύπες, μια τρίτη μαύρη τρύπα συχνά πλησίαζε το αρχικό ζεύγος και άλλαζε θέση με μία από αυτές. Αυτή η διαδικασία θα επαναλαμβανόταν ξανά και ξανά.

Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η ταλάντευση από σύντροφο σε σύντροφο θα άφηνε δυαδικές μαύρες τρύπες με σχεδόν κυκλικές τροχιές. Αυτοί οι εταίροι θα ήταν απίστευτα αργοί να συγκρουστούν. Ακόμη και ένας τεράστιος πληθυσμός αρχέγονων μαύρων τρυπών θα συγχωνευόταν τόσο σπάνια που ολόκληρη η υπόθεση θα εξακολουθούσε να ταιριάζει στον παρατηρούμενο ρυθμό συγχώνευσης του LIGO.

Δημοσίευσε τη δουλειά του στο διαδίκτυο αυτόν τον Ιούνιο, θέτοντας ερωτήσεις από εξωτερικούς ειδικούς όπως ο ίδιος ο Ali-Haïmoud. «Ήταν πολύ σημαντικό να πείσεις την κοινότητα, όσο μπορείς, ότι δεν λες απλώς κάποιες ανοησίες», είπε ο Jedamzik, χρησιμοποιώντας έναν πιο δυναμικό όρο από «ανοησίες».

Επίσης, βασίστηκε σε εργασία που προέβλεψε ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα κάθονταν σε σκοτεινά σμήνη περίπου τόσο μεγάλης σε διάμετρο όσο η απόσταση μεταξύ του ήλιου και του πλησιέστερου αστέρα. Κάθε ένα από αυτά τα σμήνη μπορεί να περιέχει περίπου χίλιες μαύρες τρύπες στοιβαγμένες μεταξύ τους. Τα μεγαθήρια 30 ηλιακής μάζας θα κάθονταν στο κέντρο. τα πιο συνηθισμένα μικρότερα θα γέμιζαν τον υπόλοιπο χώρο. Αυτά τα σμήνη θα κρύβονται παντού όπου οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι είναι η σκοτεινή ύλη. Όπως συμβαίνει με αστέρια σε έναν γαλαξία ή πλανήτες που κάνουν κύκλους γύρω από τον ήλιο, η τροχιακή κίνηση κάθε μαύρης τρύπας θα την εμπόδιζε να καταβροχθίσει μια άλλη — εκτός από αυτές τις ασυνήθιστες συγχωνεύσεις.

Σε μια δεύτερη εργασία, ο Jedamzik ​​υπολόγισε ακριβώς πόσο ασυνήθιστες θα έπρεπε να είναι αυτές οι συγχωνεύσεις. Έκανε τους υπολογισμούς για τις μεγάλες μαύρες τρύπες που έχει παρατηρήσει το LIGO, και για τις μικρότερες, τις οποίες δεν έχει. (Οι μικρές μαύρες τρύπες θα παρήγαγαν αμυδρά, υψηλού τόνου σήματα και θα έπρεπε να βρίσκονται κοντά για να ανιχνευθούν.) «Φυσικά, έμεινα έκπληκτος βλέποντας ότι η μία μετά την άλλη είχα το σωστό ρυθμό», είπε. /P>

Οι υποστηρικτές της υπόθεσης της αρχέγονης μαύρης τρύπας έχουν ακόμα πολλά να κάνουν πειστικά. Οι περισσότεροι φυσικοί εξακολουθούν να πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από κάποιο είδος στοιχειώδους σωματιδίου, ένα που είναι διαβολικά δύσκολο να ανιχνευθεί. Επιπλέον, οι μαύρες τρύπες LIGO δεν είναι πολύ διαφορετικές από αυτό που θα περιμέναμε αν προέρχονταν από συνηθισμένα αστέρια. «Γεμίζει κάπως μια τρύπα στη θεωρία που στην πραγματικότητα δεν υπάρχει», είπε ο Carl Rodriguez, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon. "Υπάρχουν πράγματα που είναι περίεργα σχετικά με ορισμένες από τις πηγές LIGO, αλλά μπορούμε να εξηγήσουμε όλα όσα έχουμε δει μέχρι τώρα μέσω της κανονικής αστρικής εξελικτικής διαδικασίας."

Η Selma de Mink, μια αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ που έχει σκιαγραφήσει θεωρίες για το πώς τα αστέρια από μόνα τους μπορούν να παράγουν τα βαριά δυαδικά δυαδικά σχήματα της μαύρης τρύπας που βλέπει το LIGO, είναι πιο ωμά:«Νομίζω ότι οι αστρονόμοι μπορούν να γελάσουν λίγο με αυτό».

Η εύρεση μόνο μιας μαύρης τρύπας υποηλιακής μάζας - η οποία θα έπρεπε να είναι κοινή, σύμφωνα με το σενάριο της αρχέγονης μαύρης τρύπας, και η οποία δεν μπορεί να σχηματιστεί από αστέρια - θα μεταμορφώσει όλη αυτή τη συζήτηση. Και με κάθε επόμενη παρακολούθηση παρατήρησης, το LIGO αύξησε την ευαισθησία του, επιτρέποντάς του τελικά είτε να βρει τέτοιες μικρές μαύρες τρύπες είτε να θέσει αυστηρά όρια στο πόσες μπορούν να υπάρχουν. "Αυτή δεν είναι μια από αυτές τις ιστορίες όπως η θεωρία χορδών, όπου σε μια δεκαετία ή τρεις δεκαετίες μπορεί να συζητάμε ακόμα αν είναι σωστό", είπε ο Byrnes.

Στο μεταξύ, άλλοι αστροφυσικοί διερευνούν διαφορετικές πτυχές της θεωρίας. Για παράδειγμα, ίσως οι ισχυρότεροι περιορισμοί για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες προέρχονται από έρευνες με μικροφακούς - αυτές οι ίδιες έρευνες που ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1990. Σε αυτές τις προσπάθειες, οι αστρονόμοι παρακολουθούν φωτεινές αλλά μακρινές πηγές, περιμένοντας να δουν εάν ένα σκοτεινό αντικείμενο περνάει μπροστά τους. Αυτές οι αναζητήσεις έχουν αποκλείσει εδώ και καιρό έναν ομοιόμορφα διασκορπισμένο πληθυσμό μικρών μαύρων τρυπών.

Αλλά εάν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες υπάρχουν σε μια σειρά από μάζες και αν συσκευάζονται σε πυκνά, ογκώδη σμήνη, αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι λιγότερο σημαντικά από ό,τι πίστευαν οι ερευνητές, είπε ο García-Bellido.

Οι επερχόμενες παρατηρήσεις θα μπορούσαν τελικά να λύσουν και αυτό το ερώτημα. Ο Ευρωπαϊκός Διαστημικός Οργανισμός συμφώνησε πρόσφατα να συνεισφέρει ένα βασικό επιπλέον χαρακτηριστικό στο επερχόμενο ρωμαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace της NASA, κάτι που θα της επέτρεπε να κάνει πρωτοποριακές μελέτες μικροφακών.

Η προσθήκη ήρθε κατόπιν εντολής του Günther Hasinger, επιστημονικού διευθυντή της ESA, ο οποίος υποστήριξε ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να εξηγήσουν πολλαπλά μυστήρια. Για τον Hasinger, η ιδέα είναι ελκυστική επειδή δεν επικαλείται νέα σωματίδια ή νέες θεωρίες φυσικής. Απλώς επανατοποθετεί παλιά στοιχεία.

«Πιστεύω ότι ίσως κάποιοι από τους γρίφους που υπάρχουν ακόμα εκεί έξω θα μπορούσαν πραγματικά να λυθούν μόνοι τους», είπε, «όταν κοιτάς με διαφορετικά μάτια».

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .