Οι επιστήμονες μπορεί να έχουν βρει μια απάντηση στο μυστήριο της σκοτεινής ύλης. Περιλαμβάνει ένα απροσδόκητο “υποπροϊόν”.
(CNN)— Για περίπου 50 χρόνια, η επιστημονική κοινότητα παλεύει με ένα ουσιαστικό πρόβλημα: Δεν υπάρχει αρκετή ορατή ύλη στο σύμπαν.
Όλη η ύλη που μπορούμε να δούμε – αστέρια, πλανήτες, κοσμική σκόνη και όλα τα ενδιάμεσα – δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρεται και πρέπει να υπάρχει πέντε φορές περισσότερη από αυτήν για να έχουν νόημα οι παρατηρήσεις των ερευνητών, σύμφωνα με τη NASA.
Όλη η ύλη που μπορούμε να δούμε – αστέρια, πλανήτες, κοσμική σκόνη και όλα τα ενδιάμεσα – δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν συμπεριφέρεται όπως συμπεριφέρεται και πρέπει να υπάρχει πέντε φορές περισσότερη από αυτήν για να έχουν νόημα οι παρατηρήσεις των ερευνητών, σύμφωνα με τη NASA.
Οι επιστήμονες αποκαλούν αυτήν την ύλη “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 εξετάζοντας αστέρια σε τροχιά στην άκρη των σπειροειδών γαλαξιών. Παρατήρησαν ότι αυτά τα αστέρια κινούνταν πολύ γρήγορα για να μπορούν να συγκρατηθούν από την ορατή ύλη του γαλαξία και τη βαρύτητά του – θα έπρεπε να έχουν φύγει μακριά από τον γαλαξία. Η μόνη εξήγηση ήταν μια μεγάλη ποσότητα αόρατης ύλης, που κρατάει αυτά τα αστέρια στον γαλαξία.
«Αυτό που βλέπετε σε έναν σπειροειδή γαλαξία», είπε ο Rubin εκείνη την εποχή, «δεν είναι αυτό που παίρνετε». Η εργασία του βασίστηκε σε μια υπόθεση που διατυπώθηκε στη δεκαετία του 1930 από τον Ελβετό αστρονόμο Fritz Zwicky και ξεκίνησε μια αναζήτηση για την αόρατη ουσία.
Από τότε, οι επιστήμονες προσπαθούν να παρατηρήσουν άμεσα τη σκοτεινή ύλη και μάλιστα κατασκεύασαν μεγάλες συσκευές για να την ανιχνεύσουν – αλλά μέχρι στιγμής, χωρίς τύχη.
Νωρίτερα στην έρευνα, ο διάσημος Βρετανός φυσικός Stephen Hawking υπέθεσε ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να κρύβεται σε μαύρες τρύπες – το κύριο θέμα της εργασίας του – που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
Τώρα, μια νέα μελέτη από ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης επανέφερε τη θεωρία στο προσκήνιο, αποκαλύπτοντας από τι ήταν φτιαγμένες αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες και ενδεχομένως ανακαλύπτοντας έναν εντελώς νέο τύπο εξωτικής μαύρης τρύπας.
«Ήταν πραγματικά μια υπέροχη έκπληξη με αυτόν τον τρόπο», δήλωσε ο Kaiser, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
«Χρησιμοποιούσαμε τους διάσημους υπολογισμούς του Stephen Hawking για τις μαύρες τρύπες, ειδικά το σημαντικό του αποτέλεσμα για την ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες», δήλωσε ο David Kaiser, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Αυτές οι εξωτικές μαύρες τρύπες προκύπτουν από την προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος της σκοτεινής ύλης – είναι ένα υποπροϊόν της εξήγησης της σκοτεινής ύλης».
Στη δεκαετία του 1970, οι Αμερικανοί αστρονόμοι Vera Rubin και W. Kent Ford επιβεβαίωσαν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης εξετάζοντας αστέρια σε τροχιά στην άκρη των σπειροειδών γαλαξιών. Παρατήρησαν ότι αυτά τα αστέρια κινούνταν πολύ γρήγορα για να μπορούν να συγκρατηθούν από την ορατή ύλη του γαλαξία και τη βαρύτητά του – θα έπρεπε να έχουν φύγει μακριά από τον γαλαξία. Η μόνη εξήγηση ήταν μια μεγάλη ποσότητα αόρατης ύλης, που κρατάει αυτά τα αστέρια στον γαλαξία.
«Αυτό που βλέπετε σε έναν σπειροειδή γαλαξία», είπε ο Rubin εκείνη την εποχή, «δεν είναι αυτό που παίρνετε». Η εργασία του βασίστηκε σε μια υπόθεση που διατυπώθηκε στη δεκαετία του 1930 από τον Ελβετό αστρονόμο Fritz Zwicky και ξεκίνησε μια αναζήτηση για την αόρατη ουσία.
Από τότε, οι επιστήμονες προσπαθούν να παρατηρήσουν άμεσα τη σκοτεινή ύλη και μάλιστα κατασκεύασαν μεγάλες συσκευές για να την ανιχνεύσουν – αλλά μέχρι στιγμής, χωρίς τύχη.
Νωρίτερα στην έρευνα, ο διάσημος Βρετανός φυσικός Stephen Hawking υπέθεσε ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να κρύβεται σε μαύρες τρύπες – το κύριο θέμα της εργασίας του – που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης.
Τώρα, μια νέα μελέτη από ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης επανέφερε τη θεωρία στο προσκήνιο, αποκαλύπτοντας από τι ήταν φτιαγμένες αυτές οι αρχέγονες μαύρες τρύπες και ενδεχομένως ανακαλύπτοντας έναν εντελώς νέο τύπο εξωτικής μαύρης τρύπας.
«Ήταν πραγματικά μια υπέροχη έκπληξη με αυτόν τον τρόπο», δήλωσε ο Kaiser, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
«Χρησιμοποιούσαμε τους διάσημους υπολογισμούς του Stephen Hawking για τις μαύρες τρύπες, ειδικά το σημαντικό του αποτέλεσμα για την ακτινοβολία που εκπέμπουν οι μαύρες τρύπες», δήλωσε ο David Kaiser, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Αυτές οι εξωτικές μαύρες τρύπες προκύπτουν από την προσπάθεια αντιμετώπισης του προβλήματος της σκοτεινής ύλης – είναι ένα υποπροϊόν της εξήγησης της σκοτεινής ύλης».
Το πρώτο πεντάκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου
Οι επιστήμονες έχουν κάνει πολλές εικασίες για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη, που κυμαίνεται από άγνωστα σωματίδια έως επιπλέον διαστάσεις. Αλλά η θεωρία των μαύρων τρυπών του Χόκινγκ μόλις πρόσφατα μπήκε στο παιχνίδι.
«Οι άνθρωποι δεν το έπαιρναν πραγματικά στα σοβαρά μέχρι ίσως πριν από 10 χρόνια», δήλωσε η συν-συγγραφέας της μελέτης Elba Alonso-Monsalve, μεταπτυχιακή φοιτήτρια του MIT. «Και αυτό συμβαίνει επειδή οι μαύρες τρύπες κάποτε φαίνονταν πραγματικά άπιαστες – στις αρχές του 20ου αιώνα, οι άνθρωποι πίστευαν ότι ήταν απλώς ένα μαθηματικό διασκεδαστικό γεγονός, τίποτα φυσικό».
Γνωρίζουμε τώρα ότι σχεδόν κάθε γαλαξίας έχει μια μαύρη τρύπα στο κέντρο του και η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων του Αϊνστάιν που δημιουργήθηκαν από συγκρούσεις μαύρων τρυπών το 2015 – ένα εύρημα ορόσημο – κατέστησε σαφές ότι βρίσκονται παντού.
«Στην πραγματικότητα, το σύμπαν είναι γεμάτο με μαύρες τρύπες», δήλωσε ο Alonso-Monsalve. «Αλλά το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν έχει βρεθεί, παρόλο που οι άνθρωποι έψαξαν σε όλα τα μέρη όπου περίμεναν να το βρουν. 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 ως υποψήφιες για τη σκοτεινή ύλη λαμβάνονται πολύ πιο σοβαρά».
Άλλες πρόσφατες μελέτες έχουν επιβεβαιώσει την εγκυρότητα της υπόθεσης του Χόκινγκ, αλλά το έργο των Alonso-Monsalve και Kaiser, καθηγητή φυσικής και Germeshausen Professor της Ιστορίας της Επιστήμης στο MIT, πηγαίνει ένα βήμα παραπέρα και εξετάζει τι ακριβώς συνέβη όταν σχηματίστηκαν για πρώτη φορά αρχέγονες μαύρες τρύπες.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 6 Ιουνίου στο περιοδικό Physical Review Letters, αποκαλύπτει ότι αυτές οι μαύρες τρύπες πρέπει να εμφανίστηκαν στο πρώτο πεντάκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου της Μεγάλης Έκρηξης: «Αυτό είναι πολύ νωρίς, και πολύ νωρίτερα από τη στιγμή που σχηματίστηκαν πρωτόνια και νετρόνια, τα σωματίδια από τα οποία είναι φτιαγμένα τα πάντα», δήλωσε ο Alonso-Monsalve.
Στον καθημερινό μας κόσμο, δεν μπορούμε να βρούμε πρωτόνια και νετρόνια διασπασμένα, πρόσθεσε, και δρουν ως στοιχειώδη σωματίδια. Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι δεν είναι, επειδή αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, ενωμένα μεταξύ τους με άλλα σωματίδια που ονομάζονται γκλουόνια.
“Δεν μπορείτε να βρείτε κουάρκ και γκλουόνια μόνα τους και ελεύθερα στο σύμπαν τώρα, επειδή είναι πολύ κρύο”, πρόσθεσε ο Alonso-Monsalve. «Αλλά νωρίς στη μεγάλη έκρηξη, όταν το σύμπαν ήταν πολύ καυτό, μπορούσαν να βρεθούν μόνα και ελεύθερα. Έτσι, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν απορροφώντας ελεύθερα κουάρκ και γκλουόνια.“
Ένας τέτοιος σχηματισμός θα τις έκανε θεμελιωδώς διαφορετικές από τις αστροφυσικές μαύρες τρύπες που συνήθως παρατηρούν οι επιστήμονες στο σύμπαν, οι οποίες είναι αποτέλεσμα της κατάρρευσης των αστεριών. Επίσης, μια αρχέγονη μαύρη τρύπα θα ήταν πολύ μικρότερη – μόνο η μάζα ενός αστεροειδούς, κατά μέσο όρο, συμπυκνωμένη στον όγκο ενός μόνο ατόμου. Αλλά αν ένας επαρκής αριθμός αυτών των αρχέγονων μαύρων τρυπών δεν εξατμίστηκε στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης και επιβίωσε μέχρι σήμερα, θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν όλη ή το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης.
Μια μεγάλης διάρκειας υπογραφή
Κατά τη διάρκεια της δημιουργίας των αρχέγονων μαύρων τρυπών, ένας άλλος τύπος προηγουμένως αόρατης μαύρης τρύπας πρέπει να σχηματίστηκε ως ένα είδος υποπροϊόντος, σύμφωνα με τη μελέτη. Αυτή θα ήταν ακόμη μικρότερη – μόνο η μάζα ενός ρινόκερου, συμπυκνωμένη σε λιγότερο από τον όγκο ενός μόνο πρωτονίου.
Αυτές οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, λόγω του μικρού μεγέθους τους, θα ήταν σε θέση να πάρουν μια σπάνια και εξωτική ιδιότητα από τη σούπα κουάρκ-γκλουονίων στην οποία σχηματίστηκαν, που ονομάζεται «χρωματικό φορτίο». Είναι μια κατάσταση φορτίου αποκλειστική μόνο για τα κουάρκ και τα γκλουόνια, που δεν βρέθηκε ποτέ σε συνηθισμένα αντικείμενα, δήλωσε ο Kaiser.
Αυτό το χρωματικό φορτίο θα τις καθιστούσε μοναδικές μεταξύ των μαύρων τρυπών, οι οποίες συνήθως δεν έχουν κανένα είδος φορτίου. «Είναι αναπόφευκτο ότι αυτές οι ακόμη μικρότερες μαύρες τρύπες θα είχαν επίσης σχηματιστεί, ως υποπροϊόν (του σχηματισμού αρχέγονων μαύρων τρυπών). Αλλά δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν πια σήμερα, καθώς θα είχαν ήδη εξατμιστεί» δήλωσε ο Alonso-Monsalve.
Ωστόσο, αν υπήρχαν ακόμα εκεί γύρω δέκα εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου στη Μεγάλη Έκρηξη, όταν σχηματίστηκαν πρωτόνια και νετρόνια, θα μπορούσαν να έχουν αφήσει παρατηρήσιμες υπογραφές αλλάζοντας την ισορροπία μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων.
«Η ισορροπία του πόσα πρωτόνια και πόσα νετρόνια δημιουργήθηκαν είναι πολύ λεπτή και εξαρτάται από το τι άλλα πράγματα υπήρχαν στο σύμπαν εκείνη την εποχή. Εάν αυτές οι μαύρες τρύπες με χρωματικό φορτίο ήταν ακόμα γύρω, θα μπορούσαν να έχουν μετατοπίσει την ισορροπία μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων (υπέρ του ενός ή του άλλου), τόσο ώστε τα επόμενα χρόνια, θα μπορούσαμε να το μετρήσουμε αυτό», πρόσθεσε.
Η μέτρηση θα μπορούσε να προέλθει από τηλεσκόπια της Γης ή ευαίσθητα όργανα σε δορυφόρους σε τροχιά, δήλωσε ο Kaiser. Αλλά θα μπορούσε να υπάρξει ένας άλλος τρόπος επιβεβαίωσης της ύπαρξης αυτών των εξωτικών μαύρων τρυπών, πρόσθεσε.
«Η δημιουργία ενός πληθυσμού μαύρων τρυπών είναι μια πολύ βίαιη διαδικασία που θα έστελνε τεράστιους κυματισμούς στον περιβάλλοντα χωροχρόνο. Αυτά θα εξασθενούσαν κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας, αλλά όχι στο μηδέν», δήλωσε ο Kaiser.
“Η επόμενη γενιά βαρυτικών ανιχνευτών θα μπορούσε να ρίξει μια ματιά στις μαύρες τρύπες μικρής μάζας – μια εξωτική κατάσταση της ύλης που ήταν ένα απροσδόκητο υποπροϊόν των πιο κοσμικών μαύρων τρυπών που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη σήμερα”.
“Όλο το υδρογόνο και το ήλιο που έχουμε στο σύμπαν μας σήμερα δημιουργήθηκε στα πρώτα τρία λεπτά και αν αρκετές από αυτές τις αρχέγονες μαύρες τρύπες υπήρχαν μέχρι τότε, θα είχαν επηρεάσει αυτή τη διαδικασία και αυτά τα αποτελέσματα μπορεί να είναι ανιχνεύσιμα”, δήλωσε ο Natarajan.
«Το γεγονός ότι αυτή είναι μια παρατηρήσιμα ελέγξιμη υπόθεση είναι αυτό που βρίσκω πραγματικά συναρπαστικό, εκτός από το γεγονός ότι αυτό υποδηλώνει ότι η φύση πιθανότατα δημιουργεί μαύρες τρύπες ξεκινώντας από τους πρώτους χρόνους μέσω πολλαπλών μονοπατιών».