Εγγραφείτε στο επιστημονικό ενημερωτικό δελτίο του CNN στο Wonder Theory. Εξερευνήστε το σύμπαν με νέα σχετικά με συναρπαστικές ανακαλύψεις, επιστημονικές προόδους και πολλά άλλα.
Για περίπου 50 χρόνια, η επιστήμη αντιμετωπίζει ένα σημαντικό πρόβλημα: Δεν υπάρχει αρκετή ορατή ύλη στο σύμπαν.
Όλη η ύλη που μπορούμε να δούμε—άστρα, πλανήτες, κοσμική σκόνη και οτιδήποτε ενδιάμεσα—δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρεται και θα έπρεπε να είναι πέντε φορές μεγαλύτερη για να έχουν νόημα οι παρατηρήσεις των ερευνητών σύμφωνα με τη NASA. Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτή τη σκοτεινή ύλη επειδή δεν αλληλεπιδρά με το φως και είναι αόρατη.
Στη δεκαετία του 1970, οι Αμερικανοί αστρονόμοι Vera Rubin και W. Kent Ford επιβεβαίωσαν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης παρατηρώντας αστέρια που περιφέρονται γύρω από τις άκρες των σπειροειδών γαλαξιών. Διαπίστωσαν ότι αυτά τα αστέρια κινούνταν πολύ γρήγορα για να συγκρατηθούν από την ορατή ύλη του γαλαξία και τη βαρύτητά του – θα έπρεπε να είχαν πετάξει χώρια. Η μόνη εξήγηση για αυτό ήταν μια μεγάλη ποσότητα αόρατης ύλης που κρατούσε τον γαλαξία ενωμένο.
«Αυτό που βλέπετε σε έναν σπειροειδή γαλαξία δεν είναι αυτό που παίρνετε», είπε τότε ο Ρούμπιν. Το έργο τους βασίστηκε σε μια υπόθεση που διατύπωσε ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky τη δεκαετία του 1930, η οποία πυροδότησε την αναζήτηση της άπιαστης ουσίας.
Από τότε, οι επιστήμονες προσπαθούν να παρατηρήσουν απευθείας τη σκοτεινή ύλη και έχουν κατασκευάσει ακόμη και μεγάλες συσκευές για να την ανιχνεύσουν – αλλά μέχρι στιγμής χωρίς επιτυχία.
Στην αρχή της αναζήτησής του, ο διάσημος Βρετανός φυσικός Stephen Hawking υπέθεσε ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να κρύβεται στις μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν στη Μεγάλη Έκρηξη – το κύριο θέμα της δουλειάς του.
Μια νέα μελέτη από ερευνητές στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης επανέφερε αυτή τη θεωρία στο προσκήνιο. Αποκάλυψε από τι κατασκευάστηκαν αυτές οι αρχικές μαύρες τρύπες και στη διαδικασία μπορεί επίσης να οδήγησε στην ανακάλυψη ενός εντελώς νέου τύπου εξωτικής μαύρης τρύπας.
«Ήταν πραγματικά μια υπέροχη έκπληξη από αυτή την άποψη», είπε ο David Kaiser, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
«Χρησιμοποιήσαμε τους περίφημους υπολογισμούς του Stephen Hawking για τις μαύρες τρύπες, ιδιαίτερα το σημαντικό του αποτέλεσμα σχετικά με την ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες», είπε ο Kaiser. «Αυτές οι εξωτικές μαύρες τρύπες δημιουργούνται σε μια προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος της σκοτεινής ύλης – είναι ένα υποπροϊόν της εξήγησης της σκοτεινής ύλης».
Το πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου
Οι επιστήμονες έχουν κάνει πολλές εικασίες για το τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ύλη, που κυμαίνονται από άγνωστα σωματίδια έως επιπλέον διαστάσεις. Αλλά η θεωρία της μαύρης τρύπας του Χόκινγκ μόλις πρόσφατα μπήκε στο παιχνίδι.
«Μέχρι πριν από περίπου δέκα χρόνια, οι άνθρωποι δεν έπαιρναν πραγματικά το ζήτημα στα σοβαρά», λέει η Έλμπα Αλόνσο-Μονσάλβε, συν-συγγραφέας της μελέτης και φοιτητής του MIT. «Αυτό συμβαίνει επειδή οι μαύρες τρύπες κάποτε φαίνονταν πραγματικά άπιαστες – στις αρχές του 20ου αιώνα, οι άνθρωποι νόμιζαν ότι ήταν απλώς ένα μαθηματικό αστείο, όχι κάτι φυσικό».
Σήμερα γνωρίζουμε ότι σχεδόν κάθε γαλαξίας έχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του. Και η πρωτοποριακή ανακάλυψη των ερευνητών το 2015 των βαρυτικών κυμάτων που παράγονται από συγκρούσεις μαύρων τρυπών από τον Αϊνστάιν κατέστησε σαφές ότι υπάρχουν παντού.
«Στην πραγματικότητα, το σύμπαν βρίθει από μαύρες τρύπες», είπε ο Alonso-Monsalve. «Αλλά το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν βρέθηκε, αν και έψαξαν σε όλα τα μέρη όπου το περίμεναν. Αυτό δεν σημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι σωματίδιο ή ότι είναι σίγουρα μαύρες τρύπες. Θα μπορούσε να είναι ένας συνδυασμός και των δύο. Αλλά τώρα οι μαύρες τρύπες αντιμετωπίζονται πολύ πιο σοβαρά ως υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη».
Άλλες πρόσφατες μελέτες έχουν επιβεβαιώσει την εγκυρότητα της υπόθεσης του Χόκινγκ, αλλά η εργασία του Alonso-Monsalve και του Kaiser, καθηγητή φυσικής και καθηγητή Germeshausen της Ιστορίας της Επιστήμης στο MIT, προχωρά ένα βήμα παραπέρα και εξετάζει τι ακριβώς συνέβη όταν οι πρώτες αρχέγονες μαύρες τρύπες σχηματίστηκε.
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 6 Ιουνίου στο περιοδικό Physical Review Letters, δείχνει ότι αυτές οι μαύρες τρύπες πρέπει να εμφανίστηκαν στο πρώτο τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου της Μεγάλης Έκρηξης: «Είναι πολύ νωρίς και πολύ νωρίτερα από τη στιγμή που τα πρωτόνια και τα νετρόνια – τα σωματίδια , από το οποίο όλα είναι φτιαγμένα – προέκυψαν», είπε ο Alonso-Monsalve.
Στον καθημερινό μας κόσμο, δεν μπορούμε να βρούμε σπασμένα πρωτόνια και νετρόνια, πρόσθεσε, και συμπεριφέρονται σαν στοιχειώδη σωματίδια. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι δεν είναι επειδή αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια, που ονομάζονται κουάρκ, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με άλλα σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια.
«Στο σημερινό σύμπαν δεν μπορείτε να βρείτε κουάρκ και γκλουόνια μόνα τους και ελεύθερα γιατί κάνει πολύ κρύο», πρόσθεσε ο Alonso-Monsalve. «Αλλά στην αρχή του Big Bang, όταν έκανε πολύ ζέστη, μπορούσες να τους βρεις μόνους και ελεύθερους. Έτσι, οι αρχικές μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν από την απορρόφηση ελεύθερων κουάρκ και γκλουονίων».
Ένας τέτοιος σχηματισμός θα τον έκανε θεμελιωδώς διαφορετικό από τις αστροφυσικές μαύρες τρύπες που συνήθως παρατηρούν οι επιστήμονες στο σύμπαν, οι οποίες είναι το αποτέλεσμα της κατάρρευσης των αστεριών. Επιπλέον, μια αρχέγονη μαύρη τρύπα θα ήταν πολύ μικρότερη – κατά μέσο όρο, μόνο η μάζα ενός αστεροειδούς συμπιεσμένη στον όγκο ενός μεμονωμένου ατόμου. Ωστόσο, εάν ένας επαρκής αριθμός από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες δεν εξατμιζόταν στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης και επέζησε μέχρι σήμερα, θα μπορούσαν να αποτελούν το σύνολο ή το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης.
Μια μακροχρόνια υπογραφή
Σύμφωνα με τη μελέτη, κατά τη διάρκεια του σχηματισμού των αρχικών μαύρων τρυπών, ένας άλλος τύπος μαύρης τρύπας πρέπει να έχει σχηματιστεί ως ένα είδος υποπροϊόντος. Αυτά θα ήταν ακόμη μικρότερα – ακριβώς στο μέγεθος ενός ρινόκερου, συμπιεσμένα σε λιγότερο από τον όγκο ενός πρωτονίου.
Λόγω του μικρού τους μεγέθους, αυτές οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν αποκτήσει μια σπάνια και εξωτική ιδιότητα από τη σούπα κουάρκ-γκλουονίων στην οποία σχηματίστηκαν: ένα λεγόμενο «χρωματικό φορτίο». Είναι μια κατάσταση φορτίου που είναι αποκλειστική για τα κουάρκ και τα γκλουόνια και δεν εμφανίζεται σε συνηθισμένα αντικείμενα, είπε ο Κάιζερ.
Αυτή η χρωματική φόρτιση θα την έκανε μοναδική μεταξύ των μαύρων τρυπών, οι οποίες συνήθως δεν έχουν καθόλου φορτίο. “Είναι αναπόφευκτο ότι αυτές οι ακόμη μικρότερες μαύρες τρύπες θα είχαν επίσης σχηματιστεί ως υποπροϊόν (του σχηματισμού αρχέγονης μαύρης τρύπας)”, είπε ο Alonso-Monsalve, “αλλά δεν θα υπήρχαν πλέον σήμερα γιατί θα είχαν ήδη εξατμιστεί.”
Ωστόσο, αν είχαν περάσει περίπου τα δέκα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου από τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν σχηματίζονταν πρωτόνια και νετρόνια, θα μπορούσαν να είχαν αφήσει αναγνωρίσιμες υπογραφές αλλάζοντας την ισορροπία μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων.
«Η ισορροπία μεταξύ του αριθμού των πρωτονίων και του αριθμού των νετρονίων είναι πολύ λεπτή και εξαρτάται από το τι άλλα πράγματα υπήρχαν στο σύμπαν εκείνη την εποχή. «Εάν αυτές οι χρωματισμένες μαύρες τρύπες εξακολουθούσαν να υπάρχουν, θα μπορούσαν να είχαν αλλάξει την ισορροπία μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων (υπέρ του ενός ή του άλλου) αρκεί να μετρήσουμε τα επόμενα χρόνια», πρόσθεσε.
Οι μετρήσεις θα μπορούσαν να προέρχονται από επίγεια τηλεσκόπια ή ευαίσθητα όργανα σε δορυφόρους σε τροχιά, είπε ο Κάιζερ. Αλλά θα μπορούσε να υπάρχει και άλλος τρόπος για να επιβεβαιωθεί η ύπαρξη αυτών των εξωτικών μαύρων τρυπών, πρόσθεσε.
«Ο σχηματισμός ενός πληθυσμού μαύρων τρυπών είναι μια πολύ βίαιη διαδικασία που θα πυροδοτούσε τεράστιους κυματισμούς στον περιβάλλοντα χωροχρόνο. Αυτά θα αποδυναμώνονταν κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας, αλλά όχι στο μηδέν», είπε ο Κάιζερ. «Η επόμενη γενιά ανιχνευτών βαρύτητας θα μπορούσε να ρίξει μια ματιά σε μαύρες τρύπες χαμηλής μάζας – μια εξωτική κατάσταση της ύλης που ήταν ένα απροσδόκητο υποπροϊόν των πιο συνηθισμένων μαύρων οπών που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη σήμερα».
Πολλές μορφές σκοτεινής ύλης
Τι σημαίνει αυτό για τα συνεχιζόμενα πειράματα ανακάλυψης της σκοτεινής ύλης, όπως το πείραμα της σκοτεινής ύλης LZ στη Νότια Ντακότα;
«Η ιδέα ότι υπάρχουν εξωτικά νέα σωματίδια παραμένει μια ενδιαφέρουσα υπόθεση», είπε ο Κάιζερ. «Υπάρχουν και άλλοι τύποι μεγάλων πειραμάτων, μερικά από τα οποία είναι υπό κατασκευή, αναζητώντας ασυνήθιστους τρόπους ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων. Και αυτά θα μπορούσαν πραγματικά να πάρουν μερικά από τα σήματα σκέδασης από την πολύ βίαιη διαδικασία σχηματισμού αρχέγονων μαύρων τρυπών».
Υπάρχει επίσης η πιθανότητα οι αρχέγονες μαύρες τρύπες να αποτελούν μόνο ένα κλάσμα της σκοτεινής ύλης, πρόσθεσε ο Alonso-Monsalve. «Δεν χρειάζεται να είναι πραγματικά το ίδιο», είπε. «Υπάρχει πέντε φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από την κανονική ύλη και η κανονική ύλη αποτελείται από μια ολόκληρη σειρά διαφορετικών σωματιδίων. Γιατί λοιπόν η σκοτεινή ύλη να είναι ένας μοναδικός τύπος αντικειμένου;»
Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες έχουν ανακτήσει τη δημοτικότητά τους με την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, αλλά δεν είναι γνωστά πολλά για το πώς σχηματίζονται, λέει ο Nico Cappelluti, επίκουρος καθηγητής στο τμήμα φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μαϊάμι. Δεν συμμετείχε στη μελέτη.
«Αυτό το έργο είναι μια ενδιαφέρουσα, βιώσιμη επιλογή για την εξήγηση της άπιαστης σκοτεινής ύλης», είπε ο Cappelluti.
Η μελέτη είναι συναρπαστική και προτείνει έναν νέο μηχανισμό σχηματισμού για την πρώτη γενιά μαύρων τρυπών, δήλωσε ο Priyamvada Natarajan, ο Joseph S. και η Sophia S. Fruton Καθηγήτρια Αστρονομίας και Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Yale. Επίσης δεν συμμετείχε στη μελέτη.
«Όλο το υδρογόνο και το ήλιο που έχουμε στο σύμπαν μας σήμερα δημιουργήθηκε στα πρώτα τρία λεπτά και αν μέχρι τότε υπήρχαν αρκετές από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες, θα είχαν επηρεάσει αυτή τη διαδικασία και αυτά τα φαινόμενα θα μπορούσαν να ανιχνευθούν». Ναταρατζάν.
«Το γεγονός ότι αυτή είναι μια παρατηρητικά ελεγχόμενη υπόθεση είναι πραγματικά συναρπαστικό για μένα, εκτός από το γεγονός ότι υποδηλώνει ότι η φύση πιθανότατα έχει δημιουργήσει μαύρες τρύπες με διάφορους τρόπους από τα πρώτα χρόνια».
Για περισσότερες ειδήσεις και ενημερωτικά δελτία του CNN, δημιουργήστε έναν λογαριασμό στο CNN.com