Είναι οι μαύρες τρύπες στην πραγματικότητα αστέρια σκοτεινής ενέργειας;
Πώς μοιάζει η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία; Στις αρχές του επόμενου έτους, ίσως το μάθουμε. Το τηλεσκόπιο Event Horizon—πραγματικά ένα εικονικό τηλεσκόπιο με πραγματική διάμετρο της Γης—έχει στραμμένο προς τον Τοξότη Α* τα τελευταία αρκετά χρόνια. Οι περισσότεροι ερευνητές της κοινότητας της αστροφυσικής αναμένουν ότι οι εικόνες του, που λαμβάνονται από τηλεσκόπια σε όλη τη Γη, θα δείξουν τα ενδεικτικά σημάδια μιας μαύρης τρύπας:έναν λαμπερό στροβιλισμό φωτός, που παράγεται από έναν δίσκο αερίων παγιδευμένων στην τροχιά της μαύρης τρύπας, που περιβάλλει μια μαύρη σκιά στο κέντρο — ο ορίζοντας γεγονότων. Αυτό περικλείει την περιοχή του διαστήματος όπου η βαρυτική έλξη της ιδιομορφίας της μαύρης τρύπας είναι πολύ ισχυρή για να διαφύγει το φως.
Αλλά ο George Chapline, ένας φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore, δεν περιμένει να δει μια μαύρη τρύπα. Δεν πιστεύει ότι είναι αληθινά. Το 2005, είπε στο Nature ότι «είναι σχεδόν βέβαιο ότι οι μαύρες τρύπες δεν υπάρχουν» και - βασιζόμενος σε προηγούμενη δουλειά που είχε κάνει με τον βραβευμένο με Νόμπελ φυσικής Ρόμπερτ Λάφλιν - εισήγαγε ένα εναλλακτικό μοντέλο που ονόμασε «αστέρια σκοτεινής ενέργειας». Η σκοτεινή ενέργεια είναι ένας όρος που χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να περιγράψουν ένα περίεργο είδος ενέργειας που φαίνεται να διαπερνά ολόκληρο το σύμπαν. Διευρύνει τον ιστό του ίδιου του χωροχρόνου, ακόμη και όταν η βαρύτητα προσπαθεί να φέρει τα αντικείμενα πιο κοντά μεταξύ τους. Ο Chapline πιστεύει ότι οι τεράστιες ενέργειες σε ένα αστέρι που καταρρέει προκαλούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια του να διασπαστούν σε αέριο φωτονίων και άλλων στοιχειωδών σωματιδίων, μαζί με αυτό που αναφέρει ως «σταγονίδια ενέργειας κενού». Αυτά σχηματίζουν μια «συμπυκνωμένη» φάση του χωροχρόνου - όπως ένα αέριο υπό αρκετή πίεση μεταβαίνει σε υγρό - που έχει πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας από τον χωρόχρονο που περιβάλλει το αστέρι. Αυτό παρέχει την απαραίτητη πίεση για να συγκρατηθεί η βαρύτητα και να αποτραπεί ο σχηματισμός μιας μοναδικότητας. Χωρίς ιδιομορφία στο χωροχρόνο, δεν υπάρχει μαύρη τρύπα.
Η ιδέα δεν βρήκε υποστήριξη στην αστροφυσική κοινότητα - την τελευταία δεκαετία, οι εργασίες του Chapline σχετικά με αυτό το θέμα έχουν συγκεντρώσει μόνο μονοψήφιες αναφορές. Η πιο δημοφιλής εργασία του στη σωματιδιακή φυσική, αντίθετα, έχει αναφερθεί πάνω από 600 φορές. Αλλά ο Chapline υποψιάζεται ότι οι μέρες της περιπλάνησής του στην επιστημονική ερημιά μπορεί σύντομα να τελειώσουν. Πιστεύει ότι το τηλεσκόπιο Event Horizon θα προσφέρει αποδείξεις ότι τα αστέρια της σκοτεινής ενέργειας είναι αληθινά.
Η ιδέα ανάγεται σε ένα έγγραφο του 2000, με τους Evan Hohlfeld και David Santiago, όπου οι Chapline και Laughlin μοντελοποίησαν τον χωρόχρονο ως συμπύκνωμα Bose-Einstein - μια κατάσταση της ύλης που προκύπτει όταν μεταφέρουμε ένα αέριο εξαιρετικά χαμηλής πυκνότητας σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά απόλυτο μηδενικό. Το μοντέλο των Chapline και Laughlin είναι κβαντομηχανικής φύσης:Η γενική σχετικότητα αναδύεται ως συνέπεια του τρόπου με τον οποίο το συμπύκνωμα χωροχρόνου συμπεριφέρεται σε μεγάλες κλίμακες. Ο χωροχρόνος σε αυτό το μοντέλο υφίσταται επίσης μετασχηματισμούς φάσης όταν κερδίζει ή χάνει ενέργεια. Άλλοι επιστήμονες βρίσκουν ότι αυτό είναι επίσης ένα πολλά υποσχόμενο μονοπάτι. Μια εργασία του 2009 από μια ομάδα Ιαπώνων φυσικών ανέφερε ότι «[Τα Συμπυκνώματα Μπόζε-Αϊνστάιν] είναι ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα κβαντικά ρευστά για» την αναλογοποίηση του καμπύλου χωροχρόνου.
Ο Chapline και ο Laughlin υποστηρίζουν ότι μπορούν να περιγράψουν τα κατέρρευστα αστέρια που οι περισσότεροι επιστήμονες θεωρούν ότι είναι μαύρες τρύπες ως περιοχές όπου ο χωροχρόνος έχει υποστεί μια μετάβαση φάσης. Διαπιστώνουν ότι οι νόμοι της γενικής σχετικότητας ισχύουν παντού στην περιοχή του άστρου που κατέρρευσε, εκτός από τον ορίζοντα γεγονότων, ο οποίος σηματοδοτεί το όριο μεταξύ δύο διαφορετικών φάσεων του χωροχρόνου.
Στο μοντέλο συμπυκνώματος, ο ορίζοντας γεγονότων που περιβάλλει ένα αστέρι που έχει καταρρεύσει δεν είναι πλέον ένα σημείο χωρίς επιστροφή, αλλά αντίθετα μια διασχίσιμη, φυσική επιφάνεια. Αυτό το χαρακτηριστικό, μαζί με την έλλειψη μιας μοναδικότητας που είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα των μαύρων οπών, σημαίνει ότι δεν προκύπτουν παράδοξα που σχετίζονται με τις μαύρες τρύπες, όπως η καταστροφή πληροφοριών. Ο Laughlin ήταν επιφυλακτικός στο να κάνει εικασίες πολύ πέρα από τις αρχικές ιδέες του και του Chapline. Πιστεύει ότι ο Chapline βρίσκεται σε κάτι με αστέρια σκοτεινής ενέργειας, «αλλά εκεί που χωρίζουμε την παρέα είναι στο βαθμό που είμαστε διατεθειμένοι να κάνουμε για το ποια «φάση» του κενού μπορεί να βρίσκεται μέσα» αυτό που οι περισσότεροι επιστήμονες αποκαλούν μαύρες τρύπες, είπε ο Laughlin. Αναμένει μέχρι τα πειραματικά δεδομένα να αποκαλύψουν περισσότερα για την εσωτερική φάση. «Στη συνέχεια θα γράψω τη δεύτερη εργασία μου για το θέμα», είπε.
Τα τελευταία χρόνια ο Chapline συνέχισε να βελτιώνει το μοντέλο του αστεριού της σκοτεινής ενέργειας σε συνεργασία με αρκετούς άλλους συγγραφείς, όπως ο Pawel Mazur του Πανεπιστημίου της Νότιας Καρολίνας και ο Piotr Marecki του Πανεπιστημίου της Λειψίας. Κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα αστέρια της σκοτεινής ενέργειας δεν είναι σφαιρικά ή πεπλατυσμένα, όπως οι μαύρες τρύπες. Αντίθετα, έχουν το σχήμα ενός τόρου, ή ντόνατ. Σε ένα περιστρεφόμενο συμπαγές αντικείμενο, όπως ένα αστέρι σκοτεινής ενέργειας, ο Chapline πιστεύει ότι τα κβαντικά φαινόμενα στο συμπύκνωμα χωροχρόνου δημιουργούν μια μεγάλη δίνη κατά μήκος του άξονα περιστροφής του αντικειμένου. Επειδή η περιοχή μέσα στη δίνη είναι άδεια - σκεφτείτε την κοιλότητα που σχηματίζεται στο κέντρο της δίνης - το κέντρο του αστέρα της σκοτεινής ενέργειας είναι κοίλο, σαν ένα μήλο χωρίς τον πυρήνα του. Ένα παρόμοιο αποτέλεσμα παρατηρείται όταν η κβαντική μηχανική χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση περιστρεφόμενων σταγόνων υπερρευστού. Και εκεί, μια κεντρική δίνη μπορεί να σχηματιστεί στο κέντρο μιας περιστρεφόμενης σταγόνας και, παραδόξως, να αλλάξει το σχήμα της από σφαίρα σε δακτύλιο.
Για τον Chapline, αυτή η παράξενη σπειροειδής γεωμετρία δεν είναι ένα σφάλμα αστεριών σκοτεινής ενέργειας, αλλά ένα χαρακτηριστικό, καθώς βοηθά στην εξήγηση της προέλευσης και του σχήματος των αστροφυσικών πίδακες - των εξαιρετικά ενεργητικών δεσμών ιονισμένης ύλης που παράγονται κατά μήκος του άξονα περιστροφής ενός συμπαγές αντικείμενο σαν μαύρη τρύπα. Ο Τσάπλιν πιστεύει ότι εντόπισε έναν μηχανισμό σε αστέρια σκοτεινής ενέργειας που εξηγεί τις παρατηρήσεις αστροφυσικών πίδακες καλύτερα από τους κύριους, που υποστηρίζουν ότι η ενέργεια εξάγεται από τον δίσκο προσαύξησης έξω από μια μαύρη τρύπα και εστιάζεται σε μια στενή δέσμη κατά μήκος του άξονα περιστροφής της μαύρης τρύπας. Για τον Chapline, η ύλη και η ενέργεια που πέφτουν προς ένα αστέρι σκοτεινής ενέργειας θα έφτασαν στον εσωτερικό λαιμό (την «τρύπα του ντόνατ»), όπου τα ηλεκτρόνια που περιφέρονται γύρω από το λαιμό θα δημιουργούσαν, όπως σε μια μπαταρία Biermann, μαγνητικά πεδία αρκετά ισχυρά για να οδηγήσουν τους πίδακες .
Ο Chapline επισημαίνει πρόσφατη πειραματική εργασία όπου οι επιστήμονες, στις εγκαταστάσεις λέιζερ OMEGA στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ, δημιούργησαν μαγνητισμένους πίδακες χρησιμοποιώντας λέιζερ για να σχηματίσουν μια διέγερση σαν δακτύλιο σε μια επίπεδη επιφάνεια. Αν και τα πειράματα δεν διεξήχθησαν έχοντας κατά νου τα αστέρια της σκοτεινής ενέργειας, ο Chapline πιστεύει ότι υποστηρίζει τη θεωρία του, καθώς η διέγερση που μοιάζει με δακτύλιο - ο Chapline τον αποκαλεί «δακτύλιο της φωτιάς» - είναι ακριβώς αυτό που θα περίμενε να συμβεί κατά μήκος του λαιμού του ένα αστέρι σκοτεινής ενέργειας. Πιστεύει ότι το δαχτυλίδι θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την υποστήριξη της ύπαρξης άστρων σκοτεινής ενέργειας. «Αυτό θα έπρεπε τελικά να φαίνεται καθαρά» στις εικόνες του τηλεσκοπίου Event Horizon, είπε ο Chapline, αναφερόμενος στο δαχτυλίδι.
Ο Chapline επισημαίνει επίσης ότι τα αστέρια της σκοτεινής ενέργειας δεν θα είναι εντελώς αδιαφανή στο φως, καθώς η ύλη και το φως μπορούν να περάσουν μέσα, αλλά και έξω από ένα αστέρι σκοτεινής ενέργειας. Ένα αστέρι σκοτεινής ενέργειας δεν θα έχει ένα εντελώς μαύρο εσωτερικό - αντίθετα θα δείχνει μια παραμορφωμένη εικόνα οποιωνδήποτε αστεριών πίσω του. Άλλοι φυσικοί, ωστόσο, είναι δύσπιστοι ότι αυτού του είδους οι αποκλίσεις από τα συμβατικά μοντέλα μαύρης τρύπας θα εμφανιστούν στα δεδομένα του τηλεσκοπίου Event Horizon. Ο Raul Carballo-Rubio, ένας φυσικός στο International School for Advanced Studies, στην Τεργέστη της Ιταλίας, έχει αναπτύξει το δικό του εναλλακτικό μοντέλο για τις μαύρες τρύπες, γνωστά ως ημι-κλασικά σχετικιστικά αστέρια. Μιλώντας γενικότερα για εναλλακτικά μοντέλα μαύρης τρύπας, ο Caraballo-Rubio είπε, «Οι διαφορές [με τις μαύρες τρύπες] που θα προέκυπταν σε αυτά τα μοντέλα είναι πολύ μικρές για να ανιχνευθούν» από το τηλεσκόπιο Event Horizon.
Ο Τσάπλιν σχεδιάζει να συζητήσει τις προβλέψεις του για τα αστέρια της σκοτεινής ενέργειας τον Δεκέμβριο, στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Kavli στη Σάντα Μπάρμπαρα. Αλλά ακόμα κι αν επιβεβαιωθούν οι προβλέψεις του, είπε ότι δεν περιμένει η επιστημονική κοινότητα να πειστεί από τη μια μέρα στην άλλη. «Περιμένω ότι για τα επόμενα χρόνια οι άνθρωποι [Event Horizon Telescope] θα μπερδεύονται με αυτό που βλέπουν».
Ο Τζέσι Στόουν είναι ανεξάρτητος συγγραφέας με έδρα την Αϊόβα Σίτι της Αϊόβα. Επικοινωνήστε μαζί του στη διεύθυνση [email protected].
ΠΡΟΣΟΧΗ:Γιατί το κοινό είναι τόσο γοητευμένο από τις μαύρες τρύπες.
