Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι δεν φαίνεται να υπάρχουν ασυνήθιστα ογκώδεις μαύρες τρύπες στο διάχυτο εξωτερικό φωτοστέφανο του Γαλαξία μας.
Η ανακάλυψη θα μπορούσε να σημάνει άσχημα νέα για τις θεωρίες ότι η πιο μυστηριώδης μορφή «υλικού» στο σύμπαν, η σκοτεινή ύλη, αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Η σκοτεινή ύλη είναι αινιγματική γιατί, αν και είναι ουσιαστικά αόρατη επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως, αυτή η ουσία αποτελεί περίπου το 86% της ύλης στο γνωστό σύμπαν. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε γραμμάριο «καθημερινής ύλης» που αποτελείται από αστέρια, πλανήτες, φεγγάρια και ανθρώπους, υπάρχουν πάνω από 6 γραμμάρια σκοτεινής ύλης.
Οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης μελετώντας την αλληλεπίδρασή της με τη βαρύτητα και την επιρροή της στην καθημερινή ύλη και το φως. Ωστόσο, παρά το γεγονός αυτό και την πανταχού παρουσία της σκοτεινής ύλης, οι επιστήμονες δεν έχουν ιδέα από τι μπορεί να αποτελείται.
Σχετίζεται με: Αν οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, πού βρίσκονται;
Τα νέα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης βασίζονται σε μια ανασκόπηση 20 ετών παρατηρήσεων που διεξήχθη από μια ομάδα επιστημόνων ως μέρος της έρευνας Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) στο Αστρονομικό Παρατηρητήριο του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας.
«Η φύση της σκοτεινής ύλης παραμένει μυστήριο. Οι περισσότεροι επιστήμονες πιστεύουν ότι αποτελείται από άγνωστα στοιχειώδη σωματίδια», δήλωσε ο επικεφαλής της ομάδας Przemek Mróz του Αστρονομικού Παρατηρητηρίου του Πανεπιστημίου της Βαρσοβίας σε μια δήλωση. «Δυστυχώς, παρά τις προσπάθειες δεκαετιών, κανένα πείραμα, συμπεριλαμβανομένων των πειραμάτων του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων, δεν έχει βρει νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να είναι υπεύθυνα για τη σκοτεινή ύλη».
Τα νέα ευρήματα όχι μόνο εγείρουν αμφιβολίες για την ύπαρξη μαύρων οπών ως εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη. Επίσης, εμβαθύνουν το μυστήριο του γιατί οι μαύρες τρύπες αστρικής μάζας που ανακαλύφθηκαν έξω από τον Γαλαξία μας φαίνονται να είναι πιο ογκώδεις από αυτές εντός των ορίων των γαλαξιών μας.
Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες μας λείπουν!
Το κυνήγι της ομάδας για τις μαύρες τρύπες στο φωτοστέφανο του Γαλαξία μας προέρχεται από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (LIGO) και τον αδελφό του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων Virgo, που φαίνεται να έχουν ανακαλύψει έναν πληθυσμό ασυνήθιστα μεγάλων μαύρων τρυπών αστρικής μάζας.
Μέχρι την πρώτη ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων από το LIGO και την Παρθένο το 2015, οι επιστήμονες είχαν διαπιστώσει ότι οι μαύρες τρύπες αστρικής μάζας που βρέθηκαν στον γαλαξία μας, οι οποίες σχηματίζονται από τη βαρυτική κατάρρευση μεγάλων αστεριών, έτειναν να έχουν μάζα μεταξύ πέντε και είκοσι φορές τη μάζα του Ήλιου.
Οι παρατηρήσεις των βαρυτικών κυμάτων των συγχωνεύσεων μεταξύ μαύρων τρυπών αστρικής μάζας υποδηλώνουν έναν πιο μακρινό πληθυσμό μαύρων οπών με πολύ μεγαλύτερη μάζα, που ισοδυναμεί με μεταξύ 20 και 100 ήλιους. «Η εξήγηση γιατί αυτοί οι δύο πληθυσμοί μαύρων τρυπών είναι τόσο διαφορετικοί είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στη σύγχρονη αστρονομία», τόνισε ο Μροζ.
Μια πιθανή εξήγηση για αυτόν τον μεγαλύτερο πληθυσμό μαύρων τρυπών είναι ότι είναι υπολείμματα αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και σχηματίστηκαν όχι από την κατάρρευση τεράστιων άστρων, αλλά από υπερβολικά πυκνά μπαλώματα αρχέγονου αερίου και σκόνης.
“Γνωρίζουμε ότι το πρώιμο σύμπαν δεν ήταν ιδανικά ομοιογενές – μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητα οδήγησαν στο σχηματισμό των σημερινών γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών”, είπε ο Mróz. «Παρόμοιες διακυμάνσεις πυκνότητας, όταν υπερβαίνουν μια κρίσιμη αντίθεση πυκνότητας, μπορεί να καταρρεύσουν και να σχηματίσουν μαύρες τρύπες».
Αυτές οι «αρχέγονες μαύρες τρύπες» υποβλήθηκαν για πρώτη φορά από τον Στίβεν Χόκινγκ πριν από περισσότερα από 50 χρόνια, αλλά παρέμειναν απογοητευτικά άπιαστες. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι τα μικρότερα δείγματα θα «διέρρεαν» γρήγορα μια μορφή θερμικής ενέργειας που ονομάζεται ακτινοβολία Hawking και τελικά θα εξατμίζονταν, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα υπήρχαν στην τρέχουσα εποχή του σύμπαντος ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών. Ωστόσο, αυτό το εμπόδιο δεν εμπόδισε ορισμένους φυσικούς να υποθέσουν τις αρχέγονες μαύρες τρύπες ως πιθανή εξήγηση για τη σκοτεινή ύλη.
Η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι αποτελεί το 90 έως 95% της μάζας του Γαλαξία μας. Αυτό σημαίνει ότι αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες, ο γαλαξίας μας θα πρέπει να περιέχει πολλά από αυτά τα αρχαία σώματα. Οι μαύρες τρύπες δεν εκπέμπουν φως επειδή περιβάλλονται από μια επιφάνεια που πιάνει φως που ονομάζεται «ορίζοντας γεγονότων». Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να «δούμε» τις μαύρες τρύπες εκτός κι αν τρέφονται με ύλη γύρω τους και ρίχνουν τη σκιά τους πάνω της. Αλλά ακριβώς όπως η σκοτεινή ύλη, οι μαύρες τρύπες αλληλεπιδρούν με τη βαρύτητα.
Ο Mróz και οι συνάδελφοί του μπόρεσαν επομένως να αντλήσουν από τη θεωρία της βαρύτητας του Albert Einstein του 1915, τη γενική σχετικότητα και μια αρχή που εισήχθη εκεί για την αναζήτηση αρχέγονων μαύρων τρυπών στον Γαλαξία.
Ο Αϊνστάιν βοηθάει
Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν δηλώνει ότι τα αντικείμενα με μάζα παραμορφώνουν τον ιστό του χώρου και του χρόνου, ο οποίος ενοποιείται σε μια ενιαία οντότητα που ονομάζεται «χωροχρόνος». Η βαρύτητα είναι αποτέλεσμα αυτής της καμπυλότητας, και όσο πιο μαζικό είναι ένα αντικείμενο, τόσο πιο ακραία είναι η καμπυλότητα του χωροχρόνου που προκαλεί και επομένως τόσο μεγαλύτερη είναι η «βαρύτητα» που παράγει.
Αυτή η καμπυλότητα όχι μόνο λέει στους πλανήτες πώς να περιφέρονται γύρω από τα αστέρια και τα αστέρια πώς να τρέχουν γύρω από τα κέντρα των γαλαξιών τους, αλλά επίσης κάμπτει τη διαδρομή του φωτός που προέρχεται από αστέρια και γαλαξίες φόντου. Όσο πιο κοντά πλησιάζει το φως στο μαζικό αντικείμενο, τόσο πιο «κυρτή» γίνεται η διαδρομή του.
Διαφορετικές διαδρομές φωτός από ένα μεμονωμένο αντικείμενο φόντου μπορούν έτσι να καμπυλωθούν, μετατοπίζοντας τη φαινομενική θέση του αντικειμένου φόντου. Μερικές φορές το εφέ μπορεί ακόμη και να προκαλέσει την εμφάνιση του αντικειμένου φόντου σε πολλές θέσεις στην ίδια εικόνα του ουρανού. Σε άλλες περιπτώσεις, το φως από το αντικείμενο φόντου ενισχύεται και αυτό το αντικείμενο μεγεθύνεται. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως «βαρυτικός φακός» και το ενδιάμεσο σώμα ονομάζεται βαρυτικός φακός. Τα αδύναμα παραδείγματα αυτού του αποτελέσματος ονομάζονται «μικροφακισμός».
Όταν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα στον Γαλαξία περνά ανάμεσα στη Γη και ένα αστέρι φόντου, θα πρέπει να παρατηρήσουμε μικροφακούς σε αυτό το αστέρι για σύντομο χρονικό διάστημα.
«Ο μικροφακός συμβαίνει όταν τρία αντικείμενα – ένας παρατηρητής στη Γη, μια πηγή φωτός και ένας φακός – είναι σχεδόν ιδανικά ευθυγραμμισμένα στο διάστημα», δήλωσε στη δήλωση ο Andrzej Udalski, επικεφαλής ερευνητής στην έρευνα OGLE. “Κατά τη διάρκεια του μικροφακού, το φως από την πηγή μπορεί να εκτραπεί και να ενισχυθεί και παρατηρούμε μια προσωρινή λάμψη του φωτός από την πηγή.”
Το πόσο φωτίζεται το φως από την πηγή φόντου εξαρτάται από τη μάζα του σώματος του φακού που διέρχεται μεταξύ αυτού και της Γης. Αντικείμενα με μεγαλύτερη μάζα προκαλούν μεγαλύτερα εφέ μικροφακών. Ένα αντικείμενο με τη μάζα του Ήλιου θα πρέπει να προκαλεί μια λάμψη που διαρκεί περίπου μια εβδομάδα. Ωστόσο, για σώματα φακών με μάζα 100 φορές τη μάζα του Ήλιου, η λάμψη θα πρέπει να διαρκέσει αρκετά χρόνια.
Υπήρξαν προηγούμενες προσπάθειες χρήσης μικροφακών για την ανίχνευση αρχέγονων μαύρων τρυπών και τη μελέτη της σκοτεινής ύλης. Προηγούμενα πειράματα φάνηκε να έδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες έχουν μικρότερη μάζα από τον Ήλιο και μπορούσαν να αποτελούν λιγότερο από 10% σκοτεινή ύλη. Το πρόβλημα με αυτά τα πειράματα, ωστόσο, ήταν ότι δεν ήταν ευαίσθητα σε φαινόμενα μικροφακούς με εξαιρετικά μεγάλες χρονικές περιόδους.
Επειδή οι πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες (παρόμοιες με αυτές που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα με ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων) θα προκαλούσαν μεγαλύτερα συμβάντα, αυτά τα πειράματα δεν ήταν επίσης ευαίσθητα σε αυτόν τον πληθυσμό μαύρων τρυπών.
Αυτή η ομάδα βελτίωσε την ευαισθησία στα μακροχρόνια φαινόμενα μικροφακών πραγματοποιώντας 20 χρόνια παρακολούθησης σχεδόν 80 εκατομμυρίων αστεριών που βρίσκονται σε έναν δορυφορικό γαλαξία του Γαλαξία που ονομάζεται Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου (LMC).
Τα δεδομένα που μελετήθηκαν, τα οποία ο Udalski ονόμασε «τις μεγαλύτερες, μεγαλύτερες και ακριβέστερες φωτομετρικές παρατηρήσεις άστρων στο LMC στην ιστορία της σύγχρονης αστρονομίας», συλλέχθηκαν από το έργο OGLE από το 2001 έως το 2020 κατά τη διάρκεια της τρίτης και τέταρτης φάσης λειτουργίας του. Η ομάδα συνέκρινε τα γεγονότα μικροφακούς που παρατηρήθηκαν από το OGLE με τον θεωρητικά προβλεπόμενο αριθμό τέτοιων γεγονότων, υποθέτοντας ότι η σκοτεινή ύλη του Γαλαξία μας αποτελείται από αρχέγονες μαύρες τρύπες.
«Αν όλη η σκοτεινή ύλη στον Γαλαξία μας αποτελούνταν από μαύρες τρύπες με 10 ηλιακές μάζες, θα έπρεπε να είχαμε ανιχνεύσει 258 συμβάντα μικροφακούς», είπε ο Μροζ. “Για 100 μαύρες τρύπες ηλιακής μάζας, περιμέναμε 99 συμβάντα μικροφακών. Για 1.000 μαύρες τρύπες ηλιακής μάζας, 27 συμβάντα μικροφακών.”
Σε αντίθεση με αυτόν τον εκτιμώμενο αριθμό συμβάντων, η ομάδα βρήκε μόνο 12 συμβάντα μικροφακούς στα δεδομένα OGLE. Περαιτέρω ανάλυση αποκάλυψε ότι όλα αυτά τα γεγονότα θα μπορούσαν να εξηγηθούν από τα γνωστά αστέρια στον Γαλαξία και στον ίδιο τον LMC. Μετά από αυτούς τους υπολογισμούς, η ομάδα διαπίστωσε ότι οι μαύρες τρύπες με 10 ηλιακές μάζες θα μπορούσαν να αποτελούν το πολύ 1,2% της σκοτεινής ύλης, οι μικρότερες μαύρες τρύπες με 100 ηλιακές μάζες δεν μπορούσαν να αποτελούν περισσότερο από το 3,0% της σκοτεινής ύλης και οι μαύρες τρύπες με 1000 ηλιακούς μόνο μάζες Θα μπορούσε να αποτελεί το 11% της σκοτεινής ύλης.
«Αυτό υποδηλώνει ότι οι ογκώδεις μαύρες τρύπες μπορούν να αποτελούν το πολύ λίγο τοις εκατό της σκοτεινής ύλης», εξήγησε ο Mróz.
ΠΑΡΟΜΟΙΕΣ ΑΝΑΡΤΗΣΕΙΣ
— Η σκοτεινή ύλη ανακαλύφθηκε να κρέμεται στον κοσμικό ιστό για πρώτη φορά
— Πώς ο διάδοχος του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων θα αναζητήσει το σκοτεινό σύμπαν
— Οι μαύρες τρύπες του «υπερισχυρού ρινόκερου» μπορεί να σχηματίστηκαν και να πέθαναν ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη
«Οι παρατηρήσεις μας δείχνουν ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν μπορούν να αποτελέσουν σημαντικό μέρος της σκοτεινής ύλης και ταυτόχρονα να εξηγήσουν τα παρατηρούμενα ποσοστά συγχώνευσης μαύρης τρύπας που μετρήθηκαν από το LIGO και το Virgo», κατέληξε ο Udalski. «Τα αποτελέσματά μας θα βρίσκονται σε εγχειρίδια αστρονομίας για τις επόμενες δεκαετίες».
Αυτό αφήνει τους αστρονόμους να πρέπει να ξεκινήσουν από την αρχή για να εξηγήσουν την παρατήρηση μαύρων τρυπών με υπερβολικά μεγάλη αστρική μάζα πέρα από τον Γαλαξία μας, ενώ οι φυσικοί συνεχίζουν να προβληματίζονται για την πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης.
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε στις 24 Ιουνίου στα περιοδικά Nature and the Astrophysical Journal Supplement Series.