Η σκοτεινή ύλη μπορεί να παγιδευτεί στις μαύρες τρύπες;

25/09/2018   http://physics4u.gr/   Written by Δ.Μ.

Στις 11 Φεβρουαρίου 2016 οι φυσικοί που δούλευαν στο Παρατηρητήριο LIGO ανακοίνωσαν την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, μετά από πολλά χρόνια θεωρητικών μελετών και παρατηρήσεων. Μπορέσαμε να δούμε την αδιαμφισβήτητη κυματομορφή των βαρυτικών κυμάτων που δημιουργήθηκαν από δύο μεγάλες μαύρες οπές οι οποίες συγκρούστηκαν.  Και τώρα αυτή η ανακάλυψη έδωσε νέες ιδέες για την παρουσία σκοτεινής ύλης στις μαύρες τρύπες.

Δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες πρότειναν ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να αποτελούνται από σκοτεινή ύλη, αλλά πιστεύαμε ότι η πιθανότητα είχε αποκλειστεί αποφασιστικά. Η ανάσταση της ιδέας αυτής είναι μόνο ένα παράδειγμα της εύφορης δημιουργικότητας που ακολουθεί μια νέα ανακάλυψη.

Γνωρίζαμε ότι υπάρχουν μαύρες τρύπες με μάζες εκατομμυρίων ή τρισεκατομμυρίων φορές τη μάζα του Ήλιου και είχαμε δει μικρότερες μαύρες τρύπες με μάζες παρόμοιες με αυτές του Ήλιου. Αλλά οι μαύρες τρύπες που είδε το LIGO είναι 30 έως 60 φορές βαρύτερες από τον Ήλιο. Μερικοί αστροφυσικοί  ισχυρίζονται τώρα ότι οι μεσαίες μαύρες τρύπες που αποκαλύπτει το LIGO μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη που μας έχει ξεφύγει για σχεδόν 50 χρόνια τώρα. 

Δεν είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες πρότειναν ότι οι μαύρες τρύπες μπορεί να είναι σκοτεινή ύλη, αλλά πιστεύαμε ότι η πιθανότητα είχε αποκλειστεί αποφασιστικά. Η ανάσταση της ιδέας είναι μόνο ένα παράδειγμα της εύφορης δημιουργικότητας που ακολουθεί μια νέα ανακάλυψη. Οι ιδέες που δεν έχουν πιάσει μπορούν να επανέλθουν στη μόδα, να εξεταστούν υπό το νέο φως με ενθουσιασμό – αντικαθιστώντας, σε ορισμένες περιπτώσεις, αποδεκτές απόψεις. Αυτές οι αναθεωρημένες ανακαλύψεις φέρνουν μαζί αυτά που φαίνονται πολύ ανόμοια πεδία έρευνας – στην περίπτωση αυτή η σκοτεινή ύλη και τα κύματα βαρύτητας – και οδηγούν σε καρποφόρες συνδέσεις.

Στη δεκαετία του ’70, ο Stephen Hawking και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του, Bernard Carr, πρότειναν ότι, από το χάος που βασίλευε μετά το Big Bang, θα μπορούσε να εμφανιστεί μια θάλασσα από μικροσκοπικές αρχέγονες μαύρες τρύπες, που θα κατέλαβαν το χώρο. Με την πάροδο του χρόνου αυτές οι μαύρες τρύπες θα είχαν μεγαλώσει, τροφοδοτώντας το σχηματισμό γαλαξιών. Θα μπορούσαν, ενδεχομένως, να συμβάλουν ακόμη και στον συνολικό προϋπολογισμό ενέργειας του Σύμπαντος. Οι μαύρες τρύπες είναι βαριές και μπορούμε δύσκολα να τις δούμε, και τις ιδιότητες αυτές πρέπει να καταλάβουμε για τον υπολογισμό της χαμένης σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. 

Η λεγόμενη «σκοτεινή ύλη» καταλαμβάνει το 25% του Σύμπαντος, ενώ την ίδια στιγμή η ορατή ύλη μόνο το 4-6%.

Για μερικές δεκαετίες, μια σκληρή ομάδα πιστών προώθησε αυτή την ιδέα. Στη δεκαετία του 1990, η ιδέα αυτή πήρε το θανατηφόρο χτύπημα. Το πείραμα MACHO (οποιοδήποτε είδος αστρονομικού σώματος που θα μπορούσε να εξηγήσει την εμφανή παρουσία της σκοτεινής ύλης στην άλω των γαλαξιών και που αποτελείται από φυσιολογική βαρυονική ύλη η οποία εκπέμπει μικρή ή καθόλου ακτινοβολία και παρασύρεται στο διαστρικό διάστημα) εκπαίδευσε ένα τηλεσκόπιο στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου και το παρακολούθησε για τυχόν αχνό τρεμούλιασμα στο φως, που θα συνέβαινε όταν αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες περνούσαν μπροστά από ένα αστέρι. Διαπίστωσαν ότι θα ήταν πολύ δύσκολο να έχουμε αρκετές μαύρες τρύπες για να υπολογίσουμε όλη τη σκοτεινή ύλη που υπάρχει στο Σύμπαν.

Πρόσφατα, ο Timothy Brandt, από το Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Princeton, εξέτασε τι μπορούν να κάνουν οι μαύρες τρύπες σε πυκνοκατοικημένα αστρικά συστήματα, γνωστών ως σφαιρικά σμήνη, που ζουν σε νάνους γαλαξίες και που κρύβονται στο κενό γύρω από τον Γαλαξία μας. Έδειξε ότι, αν υπάρχουν πάρα πολλές μαύρες τρύπες, αυτά τα σφαιρικά σμήνη θα ζεσταθούν, θα φουσκώσουν και θα πεθάνουν πολύ γρήγορα. Συνδέοντας τους αριθμούς για ένα συγκεκριμένο σμήνος στο νάνο γαλαξία Ηριδανός II, ήταν σε θέση να δείξει ότι μόνο ένα μικρό κλάσμα της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να έχει τη μορφή μαύρων οπών. Και έτσι οι μαύρες τρύπες, όπως η σκοτεινή ύλη, έγιναν μια άλλη εξωτική ιδέα που οι θεωρητικοί ήθελαν να παίξουν με αυτή, αλλά αυτό δεν φαινόταν να επηρεάζει τον φυσικό κόσμο μας.

Η αναζήτηση για τη σκοτεινή ύλη αντίθετα έχει επικεντρωθεί στα ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα, ή WIMPS για συντομία. Αυτά είναι θεμελιώδη σωματίδια (δεν αλληλεπιδρούν με τη βαρυονική ύλη παρά μόνο διά μέσου της ασθενούς και της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και κατά συνέπεια, εάν όντως υπάρχουν, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ανιχνευτούν), που είναι λείψανα πολύ πρώιμων χρόνων, όταν οι θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης ενοποιήθηκαν και συμπεριφέρθηκαν πολύ διαφορετικά από ό, τι κάνουν τώρα. Για πολλούς αστροφυσικούς η ανακάλυψη του WIMPS είναι αναπόφευκτη. πρέπει να είναι εκεί έξω. Καθώς θα κατασκευάζουμε ένα αρκετά ισχυρό και αρκετά μεγάλο όργανο, οι περισσότεροι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι, αναπόφευκτα, μια μέρα, θα δούμε αυτά τα περίεργα σωματίδια.

Ο ανιχνευτής LUX (Large Underground Xenon)

Δυστυχώς αυτό δεν συνέβη. Με την πάροδο του χρόνου, οι ανιχνευτές μας έχουν γίνει πιο ισχυροί και μεγαλύτεροι, όμως δεν έχουν καταλήξει σε τίποτα. Πρόσφατα, το πείραμα LUX, το οποίο αναζητά σπάνια σωματίδια που αποθέτουν την ενέργειά τους σε μισό τόνο υγρού Xenon, που βρίσκεται θαμμένο χιλιόμετρα κάτω από τη γη στη Νότια Ντακότα, δεν κατάφερε να βρει στοιχεία για τα μέχρι τώρα αόρατα σωματίδια. Ο Richard Gaitskell από το Πανεπιστήμιο Brown, ένας από τους αρχιτέκτονες πίσω από το LUX, δήλωσε: «Θα ήταν θαυμάσιο αν η βελτιωμένη ευαισθησία είχε δώσει επίσης ένα σαφές σήμα σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, αυτό που παρατηρήσαμε είναι συνεπές μόνο με το background».  

Λόγω της δεινής κατάστασης που βρέθηκε η θεωρία των WIMPS, είναι λογικό να επανεξετάσουμε ορισμένες από τις παλιές, υποθετικές ιδέες μας που έχουν απορριφθεί. Δύο πρόσφατες εργασίες, μία με επικεφαλής τον Simeon Bird, που εδρεύει στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins και μία άλλη με επικεφαλής τον Misao Sasaki, με έδρα το Ινστιτούτο Yukawa στο Κιότο, επανέφεραν αυτές τις παλιές ιδέες. 

Επηρεασμένοι από την ανακάλυψη του LIGO, επεξεργάζονται τα δεδομένα για το αν οι μαύρες τρύπες με μάζα μερικές δεκάδες φορές τη μάζα του Ήλιου θα μπορούσαν να αποτελούνται από σκοτεινή ύλη. Θα έπρεπε να υπάρχουν 10 δισεκατομμύρια από αυτές τις μαύρες τρύπες στο Γαλαξία μας, και η πιο κοντινή πιθανό να είναι λίγα έτη φωτός μακριά από το ηλιακό μας σύστημα. Από αυτές τις μαύρες τρύπες, μερικές θα συγκρουστούν για να σχηματίσουν δυαδικά συστήματα και μερικά τέτοια ζεύγη θα είναι ανιχνεύσιμα από το LIGO. Οι δύο ομάδες συμφωνούν ότι το LIGO αναμένεται να δει μεταξύ μερικών έως πολλών δεκάδων αυτών των γεγονότων κάθε χρόνο, από μαύρες τρύπες που θα δημιουργήθηκαν με το συνηθισμένο τρόπο, όπως είναι η αστρική κατάρρευση. Με άλλα λόγια, εάν αυτές οι μαύρες τρύπες είναι η σκοτεινή ύλη στον Γαλαξία, θα περίμενε κανείς να τους έχει δει ήδη το LIGO. Και το έχουμε δει.

Ο διάβολος όμως βρίσκεται στις λεπτομέρειες. Πώς οι αρχέγονες μαύρες τρύπες αρχικά να εμφανίζονται ακόμα στο διάστημα;. Μια ιδέα είναι ότι φτιάχτηκαν κατά τη διάρκεια της πολύ σύντομης περιόδου επιταχυνόμενης διαστολής στο πρώιμο σύμπαν, γνωστή ως πληθωρισμός. Κάποιοι “κραδασμοί” στην διαστολή θα είχαν συγκεντρώσει ενέργεια σε πυκνά τμήματα, σπέρνοντας έτσι μαύρες οπές. Για να τις ανιχνεύσουμε, αυτές οι τρύπες θα χρειαστούν να πάνε αρκετά κοντά για να συσσωρευτούν και στη συνέχεια να συγχωνευθούν, στέλνοντας στο διάστημα κύματα βαρύτητας. Πώς και πότε θα συμβεί αυτό θα εξαρτηθεί από το σχήμα του Γαλαξία, πόσο σφικτά συνδεδεμένη 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 της αστροφυσικής μετά την ευφορία της ανακάλυψης των βαρυτικών κυμάτων από το LIGO και οτιδήποτε μπορεί να συμβεί. Οι περιορισμοί από το πείραμα MACHO και από τα σφαιρικά σμήνη λειτουργούν ενάντια στην ιδέα τους, αλλά κάποιες πρωτότυπες σκέψεις μπορεί να λύσουν τα προβλήματα που προκαλούνται από τις παρατηρήσεις. 

Pedro Ferreira, θεωρητικός κοσμολόγος και αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Δουλεύει πάνω στην προέλευση της μεγάλης κλίμακας δομής στο Σύμπαν, στη γενική θεωρία της σχετικότητας και στη φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Το πιο πρόσφατο βιβλίο του, The Perfect Theory , είναι μια βιογραφία της Γενικής Σχετικότητας.

Επί δεκαετίες, προσπαθούμε να συνδέσουμε τους θεμελιώδεις νόμους της φύσης που θα κυριαρχούσαν στο πρώιμο Σύμπαν με τον τρόπο που γεννήθηκε, εξελίσσεται και κατέληξε να σχηματίζει τις σημερινές μεγάλης κλίμακας δομές του. Ελπίζουμε να δούμε το προηγμένο LIGO να κάνει το ίδιο – όπως το COBE – για μια νέα γενιά φυσικών στην αναζήτηση της σκοτεινής ύλης.