Σκοτεινή Ύλη – Μαύρες Τρύπες: Μπορεί ένα κοσμικό αίνιγμα να βοηθήσει να λυθεί ένα άλλο;

25 Αυγούστου 2016      egno.gr

Αστροφυσικοί από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins πρότειναν ένα έξυπνο νέο τρόπο για να ρίξουν φως στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης που πιστεύεται ότι αποτελεί μεγάλο μέρος του σύμπαντος. Η ειρωνεία είναι ότι θέλουν να προσπαθήσουν εντοπίσουν τη φύση αυτού του ανεξήγητου φαινομένου χρησιμοποιώντας μια άλλη άγνωστη κοσμική εκπομπή γνωστή ως «ταχείες εκρήξεις ραδιοπαλμών» (FRB). Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο «Physical Review Letters» η ομάδα των αστροφυσικών ισχυρίζεται ότι αυτές οι εξαιρετικά φωτεινές και σύντομες εκλάμψεις ακτινοβολίας ραδιοσυχνότητας μπορεί να παράσχει στοιχεία σχετικά με το αν ορισμένες μαύρες τρύπες είναι σκοτεινή ύλη.

Η μελέτη επεκτείνει μια υπόθεση που δημοσιεύθηκε σε μελέτη αυτή την άνοιξη. Επίσης δημοσιεύθηκε στο «Physical Review Letters» ότι η έρευνα κάνει μια θεωρητική υπόθεση: ότι η σύγκρουση των μελανών οπών που ανιχνεύθηκε νωρίτερα αυτή τη χρονιά από το LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ήταν στην πραγματικότητα σκοτεινή ύλη, μια ουσία που αποτελεί το 85% της μάζας του σύμπαντος.

Στην προηγούμενη μελέτη διατυπώθηκε η άποψη ότι η συνεργασία LIGO βρήκε σκοτεινή ύλη. Η μελέτη είχε ως αφετηρία το γεγονός ότι τα αντικείμενα που ανιχνεύθηκαν από το LIGO εμπίπτουν μέσα σε περιοχή μάζας που προβλέφτηκε για τις αποκαλούμενες «αρχέγονες» μαύρες τρύπες. Αντίθετα από τις μαύρες τρύπες που διαμορφώθηκαν από άστρα που εξεράγησαν, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έχουν διαμορφωθεί από την κατάρρευση μεγάλων εκτάσεων αερίου κατά τη διάρκεια της «γέννησης» του σύμπαντος.
Η ύπαρξη των αρχέγονων μελανών οπών δεν έχει καθιερωθεί με βεβαιότητα, αλλά έχουν προταθεί ως μια πιθανή λύση για το γρίφο της σκοτεινής ύλης. Με τόσο λίγα στοιχεία από αυτές για να εξεταστούν, η υπόθεση δεν έχει κερδίσει υποστηρικτές μεταξύ των επιστημόνων. Τα ευρήματα του LIGO, ωστόσο, αναδύουν την προοπτική εκ νέου, ειδικά καθώς τα αντικείμενα που ανιχνεύθηκαν στο πείραμα αυτό ταιριάζουν με τη μάζα που προβλέφθηκε για τη σκοτεινή ύλη.

Η ομάδα του Johns Hopkins υπολόγισε πόσο συχνά αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα σχημάτιζαν ζεύγη και τελικά θα συγκρούονταν. Λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος και το επίμηκες σχήμα που πιστεύεται ότι χαρακτηρίζουν τις τροχιές των δυαδικών αρχέγονων μελανών οπών, η ομάδα βρήκε ένα ρυθμό σύγκρουσης που ταιριάζει με τα ευρήματα του LIGO. Κλειδί για το επιχείρημα είναι ότι οι μαύρες τρύπες που ανίχνευσε το LIGO βρίσκονται σε μια περιοχή από 29 έως 36 ηλιακές μάζας, που σημαίνει ότι είναι πολλές φορές μεγαλύτερες από τη μάζα του Ήλιου. Η νέα μελέτη εξετάζει το ερώτημα του πώς θα ελεγχθεί η υπόθεση ότι η σκοτεινή ύλη συνίσταται από μαύρες τρύπες περίπου 30 ηλιακών μαζών.

Εδώ είναι που εισέρχονται στο προσκήνιο οι «ταχείες εκρήξεις ραδιοπαλμών» (FRBs). Αυτές οι εκλάμψεις ακτινοβολίας ραδιοσυχνότητας, που πρωτο-παρατηρήθηκαν μόνο πριν από λίγα χρόνια, εκπέμπουν έντονη ενέργεια αλλά διαρκούν μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Η προέλευσή τους είναι άγνωστη αλλά πιστεύεται ότι προέρχονται από γαλαξίες έξω από τον δικό μας. Αν η εικασία σχετικά με την προέλευσή τους είναι αλήθεια, υποστηρίζουν οι ερευνητές, τα ραδιοκύματα θα ταξιδεύουν τεράστιες αποστάσεις πριν παρατηρηθούν στη Γη, ίσως περνώντας δίπλα από μια μαύρη τρύπα. Σύμφωνα με την θεωρία Γενικής Σχετικότητας του Einstein, η ακτίνα θα εκτρέπεται όταν περνάει από μια μαύρη τρύπα. Αν περνάει αρκετά κοντά θα μπορούσε να διαχωριστεί σε δυο ακτίνες στην ίδια κατεύθυνση – δημιουργώντας δυο εικόνες από την ίδια πηγή.
Η νέα μελέτη δείχνει ότι εάν η μαύρη τρύπα έχει 30 φορές τη μάζα του Ήλιου, οι δυο εικόνες θα φτάνουν με διαφορά λίγων χιλιοστών του δευτερολέπτου. Αν οι 30 ηλιακών μαζών μαύρες τρύπες συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη, υπάρχει μια ευκαιρία ότι κάθε δεδομένη έκρηξη ραδιοπαλμών θα εκτρέπεται με αυτό τον τρόπο και θα ακολουθείται σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου από μια ηχώ.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, η ηχώ των FRBs είναι μια άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. Ενώ τα βαρυτικά κύματα μπορεί να «υποδεικνύουν» ότι η σκοτεινή ύλη συντίθεται από μαύρες τρύπες, υπάρχουν και άλλοι τρόποι για να παραχθούν μαύρες τρύπες μεγάλης μάζας, με την κλασική αστροφυσική, έτσι θα ήταν δύσκολο να πειστούμε – λένε οι ερευνητές – ότι ανιχνεύουμε σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, η βαρυτική εστίαση των FRBs έχει μια πολύ μοναδική υπογραφή, που κανένα άλλο αστροφυσικό φαινόμενο θα μπορούσε να αναπαραγάγει.

Ενώ η πιθανότητα για κάθε τέτοια ηχώ μιας FRB είναι μικρή, εν τούτοις οι συντάκτες της μελέτης αναμένουν ότι ορισμένες από τις εκατοντάδες FRBs που θα ανιχνευτούν στα λίγα επόμενα χρόνια θα έχουν τέτοιες ηχώ … αν οι μαύρες τρύπες συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη. Μέχρι τώρα, μόνο περίπου 20 FRBs ανιχνεύθηκαν και καταγράφηκαν από το 2001.
Τα πολύ ευαίσθητα όργανα που απαιτούνται για να τις ανιχνεύσουν μπορούν να «δουν» μόνο πολύ μικρές φέτες του ουρανού, προς το παρόν, περιορίζοντας το ρυθμό με τον οποίο μπορούν να εντοπιστούν οι εκρήξεις. Υποσχέσεις δίνει ένα νέο τηλεσκόπιο που αναμένεται να τεθεί σε λειτουργία αυτή τη χρονιά με το Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment. Εκτιμάται ότι τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να είναι διαθέσιμα σε τρία με πέντε χρόνια.

Πηγή: Johns Hopkins University

Περισσότερα στη μελέτη: Lensing of Fast Radio Bursts as a Probe of Compact Dark Matter. Phys. Rev. Lett. 117.