Όταν πρόκειται για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες που θεωρούνται ύποπτες για τη σκοτεινή ύλη, το άλλοθι τους θα μπορούσε να αποτύχει. Οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν δευτερόλεπτα μετά τη γέννηση του σύμπαντος μπορεί να επιβιώσουν περισσότερο από το αναμενόμενο, ανανεώνοντας τις υποψίες ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να ευθύνονται για τη σκοτεινή ύλη, την πιο μυστηριώδη ουσία του σύμπαντος.
Η σκοτεινή ύλη είναι επί του παρόντος ένα από τα πιο πιεστικά προβλήματα στη φυσική Αν και υπολογίζεται ότι αποτελεί το 85% της ύλης στον κόσμο, η σκοτεινή ύλη παραμένει πρακτικά αόρατη στα μάτια μας, επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως.
Δεδομένου ότι τα σωματίδια που αποτελούν τα άτομα, που αποτελούν «καθημερινά» πράγματα που μπορούμε να δούμε, όπως αστέρια, πλανήτες και το σώμα μας, προφανώς αλληλεπιδρούν με το φως, αυτό έχει θέσει την αναζήτηση για σωματίδια σκοτεινής ύλης εκτός του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής πυροδοτήθηκε. Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η απάντηση μπορεί να βρίσκεται ακόμα στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Ωστόσο, αν σκεφτούμε έναν μικροσκοπικό συγγενή κοσμικών αντικειμένων που συνήθως θεωρούμε τεράστια μάζα και μάλιστα τερατώδη: μαύρες τρύπες.
Σχετίζεται με: Νέα άποψη της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στην καρδιά του Γαλαξία μας υποδηλώνει ένα συναρπαστικό κρυφό χαρακτηριστικό (Εικόνα)
Ο επιστήμονας του Ινστιτούτου Max Planck Valentin Thoss και η Ana Fernandes Alexandre από το Πανεπιστήμιο της Λισαβόνας είναι δύο ερευνητές που πρόσφατα συμμετείχαν σε τέτοιες μελέτες. Υποθέτουν ότι οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, και δεν είναι μεγαλύτερες από ένα πρωτόνιο, θα μπορούσαν να συγκεντρωθούν σε ύποπτους σκοτεινής ύλης χωρίς την ανάγκη νέας φυσικής.
Μια πρόσφατη αλλαγή στη σκέψη για το πώς οι μαύρες τρύπες «εξατμίζονται» όχι μόνο οδήγησε σε μια επαναξιολόγηση της βιωσιμότητας των αρχέγονων μαύρων τρυπών, όπως υποψιάζεται. Καθώς η αναζήτηση για ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης συνεχίζει σε μεγάλο βαθμό να μην οδηγεί πουθενά, περισσότεροι ερευνητές μπορεί να αρχίσουν να εξετάζουν πιο προσεκτικά την αρχική θεωρία της σκοτεινής ύλης της μαύρης τρύπας.
Τι είναι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες;
«Όπως υποδηλώνει το όνομα, οι «αρχέγονες μαύρες τρύπες» είναι ένας τύπος μαύρης τρύπας που σχηματίζεται στην αρχή του σύμπαντος», είπε ο Thoss στο Space.com. «Στην πραγματικότητα, μέσα στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου του σύμπαντος».
Εξήγησε ότι όλες οι δομές που παρατηρούμε στο σύμπαν, από τα υπερσμήνη γαλαξιών έως τους γαλαξίες μέσα τους, προέκυψαν από ελαφρές υπερπυκνότητες στο διάστημα που υπήρχαν κατά το πρώιμο σύμπαν. Εάν το πρώιμο σύμπαν είχε βιώσει πολύ μεγαλύτερες διακυμάνσεις στην πυκνότητα από εκείνες που δημιούργησαν αυτές τις δομές, και αυτές οι διακυμάνσεις είχαν καταρρεύσει νωρίτερα από ό,τι σχηματίστηκαν οι γαλαξίες, τότε αυτά τα υπερβολικά πυκνά μπαλώματα θα μπορούσαν να είχαν ωθήσει το σχηματισμό αρχέγονων μαύρων τρυπών.
Ο Thoss πρόσθεσε ότι αυτές οι αρχικές μαύρες τρύπες θα είχαν πολύ διαφορετικές μάζες ανάλογα με το πότε θα μπορούσε να συμβεί αυτή η κατάρρευση και την έκταση της κατάρρευσης. Οι αρχικές μαύρες τρύπες που ο Thoss και ο Fernandes Alexandre θεώρησαν ως πιθανούς υποψήφιους για τη σκοτεινή ύλη θα είχαν μάζες μεταξύ λίγων και χιλίων τόνων για την ακρίβεια, που είναι μικρότερη από τη μάζα ενός πλανήτη και μεγαλύτερη στην κατηγορία ενός μικρού αστεροειδούς.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι μικρότερες μαύρες τρύπες που έχουν ανακαλύψει οι επιστήμονες μέχρι στιγμής, οι λεγόμενες μαύρες τρύπες αστρικής μάζας, έχουν μάζες 3 έως 50 φορές τη μάζα του Ήλιου – η οποία με τη σειρά της είναι 2,2 φορές 10 προς τη δύναμη του 27 (22 ακολουθούμενο από 26) ισούται με μηδέν) τόνους – αυτές οι αρχικές μαύρες τρύπες είναι απίστευτα μικρές.
Όπως οι αντίστοιχες μεγαλύτερες μαύρες τρύπες, που σχηματίστηκαν είτε από την κατάρρευση τεράστιων αστεριών είτε από τη συγχώνευση σχετικά μικρότερων μαύρων οπών, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είχαν ένα εξωτερικό όριο παγίδευσης φωτός που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων, σύμφωνα με τον Fernandes Alexandre. Η διάμετρος αυτού του ορίζοντα καθορίζεται από τη μάζα της μαύρης τρύπας, που σημαίνει ότι ο ορίζοντας γεγονότων σε αυτές τις περιπτώσεις θα ήταν απίστευτα μικρός. «Μικρότερο από την ακτίνα ενός πρωτονίου», είπε ο Fernandes Alexandre.
Οι μικρές, αρχέγονες μαύρες τρύπες είχαν προηγουμένως αποκλειστεί ως υποψήφιες για σκοτεινή ύλη, επειδή όλες οι μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι «διαρρέουν» έναν τύπο θερμικής ακτινοβολίας, που θεωρήθηκε για πρώτη φορά από τον Stephen Hawking το 1974 και αργότερα ονομάστηκε «ακτινοβολία Hawking».
Όσο μικρότερη είναι μια μαύρη τρύπα, τόσο πιο γρήγορα θα πρέπει να εκπέμψει την ακτινοβολία Hawking και τόσο πιο γρήγορα θα πρέπει να εξατμιστεί. Αυτό σημαίνει ότι αν υπήρχαν ποτέ αρχέγονες μαύρες τρύπες, τα μικρότερα παραδείγματα δεν θα υπήρχαν πλέον σήμερα – αλλά η σκοτεινή ύλη σαφώς υπάρχει.
«Οι αρχικές μαύρες τρύπες με τις μάζες που εξετάζουμε τώρα η Ana και εγώ θεωρούνταν προηγουμένως ουσιαστικά αποκλεισμένες επειδή θεωρούνταν ότι είχαν εξατμιστεί πλήρως μέχρι αυτό το σημείο του σύμπαντος», είπε ο Thoss.
Ωστόσο, πρόσφατη εργασία του Giorgi Dvali, ενός θεωρητικού φυσικού στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου που συνεργάστηκε με τον Thoss και τον Fernandes Alexandre, υποδηλώνει ότι η διαδικασία εξάτμισης καταστρέφεται σε ένα ορισμένο σημείο. Αυτό σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες με τις μάζες που υποθέτουν οι επιστήμονες θα μπορούσαν να φτάσουν σε μια ημι-σταθερή κατάσταση.
«Για να μειώσει τη μάζα της μέσω της εκπομπής της ακτινοβολίας Hawking, η μαύρη τρύπα πρέπει να «ξαναγράψει» τις πληροφορίες της ή κάτι άλλο. Αυτή η διαδικασία επανεγγραφής απαιτεί χρόνο», εξήγησε ο Fernandes Alexandre. «Ονομάζεται «φόρτωση μνήμης» επειδή αυτή η μνήμη πρέπει τώρα να μεταβιβαστεί σε κάτι άλλο και αυτό απλώς επιβραδύνει τη διαδικασία εξάτμισης συνολικά. Είναι λοιπόν ένα είδος σταθεροποίησης».
Και αυτός ο «μηχανισμός διάσωσης» σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θεωρούνται και πάλι πιθανοί υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη!
Μια πραγματική ένδειξη για τη σκοτεινή ύλη;
Ωστόσο, το γεγονός ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να υπάρχουν στο σημερινό σύμπαν δεν σημαίνει αμέσως ότι πρέπει να θεωρούνται ύποπτες για τη σκοτεινή ύλη. Στην πραγματικότητα, υπάρχουν άλλοι λόγοι για να συνδέσουμε αυτές τις μικροσκοπικές υποθετικές μαύρες τρύπες με το μυστηριώδες περιεχόμενο ύλης του σύμπαντος.
Ίσως η πιο προφανής σχέση είναι η έλλειψη αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης με το φως. Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει ούτε αντανακλά φως και ο ορίζοντας γεγονότων που οριοθετεί όλες τις μαύρες τρύπες αντιπροσωπεύει το σημείο στο οποίο η ταχύτητα διαφυγής που απαιτείται για να τη διασχίσει υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός. Αυτό σημαίνει ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες «συλλαμβάνουν» όλο το εισερχόμενο φως, το οποίο θα είχε ως αποτέλεσμα μια προφανή έλλειψη αλληλεπιδράσεων.
«Αν είναι αρκετά φωτεινές, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες κάπου κοντά σε μια πλανητική μάζα συμπεριφέρονται σαν σωματίδια σκοτεινής ύλης για όλους τους σκοπούς που μας ενδιαφέρουν», είπε ο Thoss. «Η σκοτεινή ύλη είναι «χωρίς σύγκρουση» σε τυπικά μοντέλα, επομένως τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε βαθμό που να επηρεάζει το σύμπαν».
Πρόσθεσε ότι αν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες ήταν ελαφρύτερες από τις πλανητικές μάζες, θα ήταν τόσο μικρές, ακόμη και σε κοσμικές χρονικές κλίμακες, που θα συγκρούονταν πολύ σπάνια. Αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μπορεί να είναι πιο πιθανό να συσσωματωθούν για να παράγουν τα βαρυτικά αποτελέσματα που αποδίδουμε επί του παρόντος στη σκοτεινή ύλη, όπως η βαρυτική επίδραση που εμποδίζει τους ταχέως περιστρεφόμενους γαλαξίες να απομακρυνθούν.
Αλλά αν οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έπρεπε να συγκεντρωθούν μαζί για να εξηγήσουν τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης, τι θα εμπόδιζε αυτές τις μαύρες τρύπες να συσσωματωθούν και να συγχωνευθούν σε μεγαλύτερες μαύρες τρύπες; Μια συλλογή από μικροσκοπικές μαύρες τρύπες δεν θα γινόταν τελικά μόνο μια τεράστια μαύρη τρύπα; Ο Thoss είπε ότι αυτό διερευνήθηκε και η απάντηση ήταν απλή: “Όχι”.
«Ακόμη και αν ληφθεί υπόψη η ομαδοποίηση, οι χρονικές κλίμακες για τις συγχωνεύσεις είναι τόσο μεγάλες που θα συγχωνεύονταν μόνο σε πραγματικά τεράστιες μαύρες τρύπες σε όλη την ηλικία του σύμπαντος», συνέχισε.
Ο Thoss πρόσθεσε ότι η ομορφιά της χρήσης αρχέγονων μαύρων οπών για την εξήγηση της σκοτεινής ύλης είναι ότι, σε αντίθεση με την υπόθεση ενός υποθετικού σωματιδίου όπως ένα άξιον για να εξηγήσει το παζλ, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν απαιτούν επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. η καλύτερη εξήγηση που έχουμε για το σύμπαν σε υποατομικό επίπεδο.
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
– Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά ότι η σκοτεινή ύλη κρέμεται στον κοσμικό ιστό
– Πώς ο διάδοχος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων θα εντοπίσει το σκοτεινό σύμπαν
— Ένας τεράστιος γαλαξίας χωρίς σκοτεινή ύλη είναι ένα κοσμικό μυστήριο
Ωστόσο, η επιβεβαίωση των αρχέγονων μαύρων οπών ως σκοτεινής ύλης θα είναι απίστευτα δύσκολη εάν εξηγήσουν πραγματικά το φαινόμενο. Και πάλι, η φύση τους που πιάνει φως σημαίνει ότι είναι σχεδόν αόρατα. Επιπλέον, σε τόσο μικρό μέγεθος, δεν έχουν την ίδια τεράστια βαρυτική έλξη με τα αστρικά και υπερμεγέθη αδέρφια τους.
Ακόμα κι αν ανακαλυφθεί μια συλλογή από αρχέγονες μαύρες τρύπες, δεν υπάρχει πραγματικός τρόπος να γίνει κατανοητή η διαφορά μεταξύ πολλών μικρών μαύρων τρυπών και μιας μεγάλης μαύρης τρύπας.
Παρά τη δυσκολία αυτή, ο Thoss και ο Fernandes Alexandre θέλουν να παραμείνουν στην ουρά των αρχέγονων μαύρων τρυπών – τουλάχιστον θεωρητικά. Εάν τα υποψήφια σωματίδια της σκοτεινής ύλης συνεχίσουν να αποτυγχάνουν να εκδηλώνονται, ίσως η απάντηση είναι να πείσουμε περισσότερους φυσικούς να κοιτάξουν πέρα από το μεταφορικό όριο μεταξύ της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας.
«Δεν θα έλεγα ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έχουν απορριφθεί ποτέ ως υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, αγνοήθηκαν για λίγο», είπε ο Fernandes Alexandre. «Δεδομένου ότι δεν έχουμε πραγματική ανακάλυψη σωματιδίων σκοτεινής ύλης, νομίζω ότι γίνεται όλο και πιο σημαντικό να εξετάσουμε αυτήν την επιλογή».